Xây dựng và nghiên cứu mô hình thực nghiệm hệ thống sấy buồng nông sản thực phẩm bằng bơm nhiệt hoạt động theo chu trình lạnh hai nhiệt độ bay hơi

Nhận thấy rằng, theo hướng nghiên cứu công nghệ sấy mới, tiết kiệm năng lượng và thu hồi nhiệt, thì HTS sử dụng bơm nhiệt hoạt động theo chu trình lạnh hai nhiệt độ bay hơi có thể đáp ứn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN ĐÌNH TẤN

XÂY DỰNG VÀ NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM

HỆ THỐNG SẤY BUỒNG NÔNG SẢN THỰC PHẨM BẰNG BƠM NHIỆT HOẠT ĐỘNG THEO CHU TRÌNH LẠNH HAI

NHIỆT ĐỘ BAY HƠI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Nhiệt lạnh

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN ĐỨC LỢI

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi thực hiện dưới

sự hướng dẫn của PGS.TS.Nguyễn Đức Lợi Tôi chỉ sử dụng các tài liệu trong mục tài liệu tham khảo Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây

Nếu sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm theo quy định

Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2012

Tác giả luận văn

Nguyễn Đình Tấn

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin được bày tỏ sự cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Đức Lợi luôn tận tình hướng dẫn và động viên thường xuyên

Tôi cũng chân thành gửi lời cảm ơn tới:

Thầy Nguyễn Mạnh Hùng trường Đại học giao thông vận tải đã tạo điều kiện về thời gian, phòng thí nghiệm, đóng góp ý kiến để tôi thực hiện bản luận văn này

Ban Giám hiệu, Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt Lạnh, Viện Đào tạo Sau Đại học - Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong quá trình học tập

Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình, bạn bè

và đồng nghiệp - với sự quan tâm, động viên và ủng hộ nhiệt tình đối với tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu

Trong quá trình thực hiện luận văn không thể tránh khỏi những sai sót, tác giả rất mong những ý kiến đóng góp, phê bình của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp

Hà Nội, tháng 03 năm 2012

MỤC LỤC

Lời cám ơn

Lời cam đoan Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt Danh mục các bảng Danh mục các hình vẽ MỞ ĐẦU……… 1

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY SỬ DỤNG BƠM NHIỆT TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM……….3

1.1 Động lực quá trình sấy………3

1.2 Các phương pháp sấy……… 3

1.2.1 Phương pháp sấy nóng……… 4

1.2.2 Phương pháp sấy lạnh………4

1.3 Phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt……… 5

1.3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống……… 5

1.3.2 Các tiêu chí đánh giá hiệu quả của hệ thống sấy bơm nhiệt……… 7

1.3.3 Các nghiên cứu về sấy bơm nhiệt trong và ngoài nước 9

1.4 Vấn đề thay đổi thông số TNS……… 13

1.5 Tổng quát các nội dung nghiên cứu của luận văn……… 13

1.5.1 Mục đích nghiên cứu của luận văn……… 13

1.5.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu……… 14

1.5.3 Phương pháp nghiên cứu………14

Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP SẤY GIÁN ĐOẠN……… 15

2.1 Các phương pháp sấy gián đoạn………15

2.2 Sấy gián đoạn theo mẻ sử dụng bơm nhiệt……….18

2.2.1 Các kiểu sấy gián đoạn theo mẻ bằng bơm nhiệt……… 18

2.2.2 Phương pháp cấp nhiệt gián đoạn theo kiểu ON/OFF……….19

2.2.3 Phương pháp cấp nhiệt theo chu kỳ……….20

2.3 Đánh giá sơ bộ hiện tượng truyền nhiệt truyền chất đồng thời trong vật liệu khi sấy gián đoạn……… 21

2.3.1 Cơ chế truyền nhiệt – truyền ẩm trong các quá trình sấy………21

2.3.2 Truyền nhiệt – truyền ẩm trong quá trình cấp nhiệt gián đoạn………… 25

2.4 Một vài kết quả nghiên cứu về sấy gián đoạn trên thế giới………27

Chương 3 - XÂY DỰNG VÀ HOÀN THIỆN MÔ HÌNH HTS BƠM NHIỆT HAI NHIỆT ĐỘ BAY HƠI……….34

3.1 Giới thiệu……… 34

3.2 Tính toán chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi………35

3.2.1 Nguyên lý hoạt động……… 35

3.2.2 Phương trình tính toán……… …….36

3.2.3 Điều chỉnh phân tầng áp suất bằng van KVP……….37

3.3 So sánh lý thuyết chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi với chu trình một nhiệt độ sôi………39

3.4 Những ưu điểm của hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi……… 40

3.4.1 Nâng cao lượng nhiệt thu hồi tại dàn lạnh……… 40

3.4.2 Nâng cao hệ số hiệu quả……….41

3.4.3 Tiết kiệm năng lượng nhờ điều chỉnh năng suất lạnh Q0……….41

3.4.4 Điều chỉnh thông số tác nhân sấy sau khi đi qua dàn lạnh……… 45

3.5 Xây dựng và hoàn thiện mô hình HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi………49

3.5.1 Thông số chu trình và các kết quả thiết kế……… 49

3.5.2 Các vấn đề cần hoàn thiện và bổ sung……….53

3.5.3 Mô hình thiết bị thí nghiệm……….57

3.5.4 Các bước cơ bản lắp đặt và hoàn thiện mô hình……… 64

3.6 Nhận xét……… …64

Chương 4 - THỰC NGHIỆM SẤY CÀ RỐT………65

4.1.Mục đích thí nghiệm………65

4.2 Chọn vật liệu sấy………65

4.3 Tiến hành thí nghiệm………66

4.3.1 Công tác chuẩn bị………66

4.3.2 Trình tự tiến hành……… 68

4.4 Kết quả thí nghiệm và thảo luận……….69

4.4.1 Thực nghiệm sấy gián đoạn trên mô hình HTS với các hệ số thời gian làm việc b khác nhau……….69

4.4.2 Thí nghiệm thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ cấp nhiệt……… 78

4.5 Nhận xét……… 80

Chương 5 - KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ……… 81

5.1 Kết luận………81

5.2 Kiến nghị……… 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO………83 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

HPE : dàn bay hơi áp suất cao;

LPE : dàn bay hơi áp suất thấp;

TL : tiết lưu;

COP : hệ số hiệu quả của bơm nhiệt;

SMER : lượng ẩm riêng, g/kWh;

01 02

Q , Q : năng suất lạnh lần lượt tạo ra bởi HPE và LPE,W;

Qkt : nhiệt ngưng tụ tại dàn ngưng trong, kW;

F : diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2;

b1 b 2

t , t : nhiệt độ không khí trong buồng tạo ra lần lượt bởi HPE và LPE, 0C;

01 02

t , t : nhiệt độ sôi của môi chất lần lượt trong HPE và LPE, 0C;

Qh : năng lượng hiệu quả do buồng sấy thu được từ bơm nhiệt;

Ne : điện năng cấp cho hệ thống, kWh;

Ga : lượng ẩm tách được, kg;

 : thời gian, h;

k : hệ số truyền nhiệt, W/ m2K;

qk : năng suất nhiệt riêng của bơm nhiệt, W;

q0 : năng suất lạnh riêng của bơm nhiệt, W;

 : hệ số lạnh của bơm nhiệt;

 : hệ số nhiệt của bơm nhiệt;

t

 : độ chênh nhiệt độ, 0C;

d : dung ẩm, kg/kg;

m : lưu lượng môi chất qua máy nén, kg/s;

 : hệ số cấp;

Vlt : thể tích hút lý thuyết, m3/s;

v1 : thể tích riêng hơi hút về máy nén, m3/kg;

 : khối lượng riêng, kg/m3;

c : nhiệt dung riêng, J/kgK;

 : hệ số dẫn nhiệt, W/mK;

w : độ ẩm, %;

Cpk : nhiệt dung riêng của không khí khô, kJ/kg.K;

Cph : nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kg.K;

ro : nhiệt ẩn hoá hơi, kJ/kg

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Các nghiên cứu về sấy bơm nhiệt gần đây của các tác giả trên thế giới

Bảng 1.2 So sánh chất lượng thực phẩm sấy bằng công nghệ sấy lạnh so với các công nghệ sấy truyền thống

Bảng 2.1 Tóm tắt các chế độ sấy gián đoạn bằng bơm nhiệt

Bảng 2.2 Tóm tắt ảnh hưởng sự biến thiên profiles nhiệt độ theo thời gian đối với sự suy giảm lượng acid ascorbic (S K Chou et al, 2000)

Bảng 3.1 Thông số chu trình lạnh (môi chất R22) theo thiết kế

Bảng 3.2 Thông số chu trình lạnh thường gặp khi vận hành HTS

Bảng 3.3 Kết quả thiết kế HTS

Bảng 3.4 Thông số HTS

Bảng 3.5 Các chế độ vận hành HTS

Bảng 3.6 Số lượng, thông số kĩ thuật của các thiết bị đo trong hệ thống

Bảng 4.1 Mô tả thí nghiệm sấy 800 g vải ẩm với b = 25/30 và 20/30

Bảng 4.2 Thông số thí nghiệm khi sấy 1200g vải ẩm

Bảng 4.3 Thông số thí nghiệm khi sấy 2500g vải ẩm

Bảng 4.4 Thông số thí nghiệm khi sấy 1000g cà rốt lát mỏng, δ = 3 mm

Bảng 4.5 Thông số thí nghiệm khi sấy 180 g cà rốt, δ = 5 mm

Bảng 4.6 Giá trị nhiệt độ, độ ẩm tương đối của TNS và lượng ẩm tách được sau mỗi chu kỳ

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Động lực quá trình sấy

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý làm việc của một HTS sử dụng bơm nhiệt

Hình 1.3 Quá trình biến đổi trạng thái không khí trong HTS trên đồ thị I-d

Hình 1.4 Một buồng sấy gỗ bằng bơm nhiệt của hãng Westair

Hình 2.1 Sơ đồ phân loại tổng quát các kiểu sấy gián đoạn

Hình 2.2 Sơ đồ cấp nhiệt và ngừng cấp nhiệt cho buồng sấy

Hình 2.3 Các dạng profiles nhiệt độ của TNS trong HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi

Hình 2.4 Quan hệ của hệ số am và δ với nhiệt độ và độ ẩm

Hình 2.5 Sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm bên trong VLS theo thời gian

Hình 2.6 Biến thiên độ chứa ẩm bề mặt và trung bình của vật liệu sấy khi cấp nhiệt và ngừng cấp nhiệt theo chu kỳ

Hình 2.7 Mô hình thiết bị thí nghiệm Zalmed 42/250/M

Hình 2.8 Sự thay đổi khối lượng VLS theo thời gian khi thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ

Hình 2.9 Sự thay đổi khối lượng VLS theo thời gian khi thay đổi độ ẩm tương đối theo chu kỳ Hình 2.10 Chất lượng vật mẫu trong thí nghiệm của S.J Kowalski và A Pawlowski

Hình 3.1 Sơ đồ cách mắc các dàn bay hơi

Hình 3.2 Sơ đồ nguyên lý chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi

Hình 3.3 Hình ảnh và cấu tạo van điều chỉnh áp suất KVP

Hình 3.4 Sơ đồ lắp đặt của hệ thống lạnh 2 nhiệt độ bay hơi bằng van KVP

Hình 3.5 Quá trình thu nhiệt từ không khí của hệ thống một và hai nhiệt độ sôi

Hình 3.6 Nhu cầu năng suất lạnh thay đổi theo thời gian

Hình 3.7 Khả năng điều chỉnh năng suất lạnh của hai dàn bay hơi

Hình 3.8 Sơ đồ thiết bị chu trình tiết lưu hơi hút

Hình 3.9 Chu trình tiết lưu hơi hút và biểu đồ năng suất lạnh phụ thuộc vào áp suất hút đặt trên van KVP

Hình 3.10 Sơ đồ tuần hoàn không khí có bypass

Hình 3.11 Đồ thị h-d biểu diễn chu trình TNS có bypass

Hình 3.12.Các điểm trạng thái của không khí ẩm trong HTS khi sử dụng bypass trên đồ thị I-d Hình 3.13 Ảnh hưởng của việc điều chỉnh tỉ lệ bypass đến tổng lượng nhiệt thu hồi tại dàn bay hơi

Hình 3.14 Đồ thị lgp-h của các chu trình A, B

Hình 3.15 Đồ thị lgp-h của các chu trình C, D

Hình 3.16 Đồ thị lgp-h của các chu trình E, F, G

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý của HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi

Hình 3.18 Sơ đồ mô hình đơn giản của hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi

Hình 3.19 Sơ đồ các điểm đo

Hình 3.20 Sơ đồ mạch điện động lực

Hình 3.21 Sơ đồ mạch điện điều khiển hệ thống

Hình 4.1 Cà rốt trước khi sấy

Hình 4.2 Khả năng tách ẩm theo thời gian

Hình 4.3 Biến thiên SMER theo thời gian

Hình 4.4 Lượng ẩm tách theo thời gian của TN3 , TN4 và TN5

Hình 4.5 Biến thiên SMER theo thời gian của TN3 ÷ TN5

Hình 4.6 Lượng ẩm tách theo thời gian của TN6 và TN7

Hình 4.7 Biến thiên SMER theo thời gian của TN6 và TN7

Hình 4.8 Lượng ẩm tách theo thời gian của TN8 – TN10

Hình 4.9 Biến thiên SMER theo thời gian của TN8 ÷ TN10

Hình 4.10 Lượng ẩm tách theo thời gian của TN11 – TN13

Hình 4.11 Biến thiên SMER theo thời gian của TN11, TN12 và TN13

Hình 4.12 Sản phẩm sấy cà rốt bề dày 3mm, chế độ E(25+5)

Hình 4.13 Biến thiên nhiệt độ TNS theo thời gian

Hình 4.14 Biến thiên độ ẩm tương đối của TNS theo thời gian

MỞ ĐẦU

Phương pháp sấy dùng bơm nhiệt nén hơi đang được nghiên cứu do có những ưu điểm về mặt tiết kiệm năng lượng, giữ được màu sắc và chất lượng sản phẩm đặc biệt phù hợp với những vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ Hệ thống sấy (HTS) sử dụng bơm nhiệt có một ưu điểm nổi trội hơn so với HTS bằng khí nóng thông dụng là khả năng điều chỉnh thông số tác nhân sấy và khả năng tận dụng năng lượng Tuy nhiên, nhược điểm của HTS sử dụng bơm nhiệt truyền thống là đầu tư ban đầu cao, công nghệ vận hành phức tạp và phải sử dụng điện là nguồn năng lượng cao cấp Chính vì thế, xu hướng nghiên cứu với HTS hiện nay tập trung vào các vấn đề: sấy sản phẩm mới hoặc quá trình sấy mới; công suất sấy cao hơn công nghệ hiện tại; chất lượng tốt hơn và điều chỉnh thông số tác nhân sấy (TNS) tốt hơn; giảm các tác động đến môi trường, sử dụng năng lượng tái tạo; hiệu quả năng lượng cao hơn, sử dụng hệ thống thu hồi nhiệt; giảm thiểu cháy nổ, rủi ro, độc hại, vận hành an toàn hơn; thời gian sấy ngắn hơn mà vẫn đảm bảo được chất lượng sản phẩm cao

Nhận thấy rằng, theo hướng nghiên cứu công nghệ sấy mới, tiết kiệm năng lượng và thu hồi nhiệt, thì HTS sử dụng bơm nhiệt hoạt động theo chu trình lạnh hai nhiệt độ bay hơi có thể đáp ứng được các vấn đề trên, đặc biệt trong đó là vấn đề sấy gián đoạn nên em đã mạnh dạn

thực hiện đề tài tốt nghiệp “Xây dựng vµ nghiªn cøu mô hình thực nghiệm hệ thống sấy

buồng nông sản thực phẩm bằng bơm nhiệt hoạt động theo chu trình lạnh hai nhiệt độ bay hơi ”để nghiên cứu Nội dung của đề tài là nghiên cứu thiết kế và xây dựng hoàn thiện HTS đã mô tả trong [12] Nghiên cứu thực nghiệm sấy cà rốt khi thay đổi thông số TNS nhờ chu trình hai nhiệt độ bay hơi, kể cả sấy gián đoạn, đánh giá hiệu quả năng lượng và thời gian sấy

Nội dung của luận văn được trình bày thành các chương như sau:

Chương 1: Tổng quan về công nghệ sấy sử dụng bơm nhiệt trên thế giới và tại Việt Nam

Chương 2: Phương pháp sấy gián đoạn

Chương 3: Xây dựng và hoàn thiện mô hình HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ bay hơi

Chương 4: Thực nghiệm sấy cà rốt

Chương 5: Kết luận, kiến nghị

Do hạn chế về mặt thời gian và trình độ cũng như kinh nghiệm thực tế, đề tài đi theo hướng nghiên cứu còn mới nên gặp không ít khó khăn vì vậy luận văn chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, kính mong sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô và đồng nghiệp

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY SỬ DỤNG BƠM NHIỆT TRÊN THẾ

GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM

1.1 Động lực quá trình sấy

Sấy là một quá trình công nghệ nhằm

tách ẩm (chủ yếu là nước và hơi nước) ra

khỏi VLS để thải vào môi trường – TNS

Để quá trình sấy xảy ra, VLS nhận được

nguồn năng lượng theo một phương thức

nào đó khiến cho ẩm từ trong lòng vật liệu

dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt khuếch

tán vào môi trường Cả hai quá trình này

được đặc trưng bởi động lực dịch chuyển ẩm L1 và L2 tương ứng; L1 tỉ lệ thuận với hiệu số (pt – pbm) còn L2 tỉ lệ thuận với hiệu số (pbm – ph) [1]:

Trong đó pt, pbm, ph lần lượt là phân áp suất của hơi nước trong tâm vật, trên

bề mặt và của môi trường xung quanh Nếu gọi L là động lực quá trình sấy thì động lực này cũng tỉ lệ thuận với độ chênh phân áp suất (pt – ph):

Ẩm trong vật liệu luôn dịch chuyển theo chiều từ nơi có phân áp suất cao sang nơi

có phân áp suất thấp Độ chênh này càng cao thì động lực sấy càng lớn Theo đó,

có thể tăng pt bằng cách đốt nóng vật liệu hoặc làm giảm phân áp suất hơi nước phcủa môi trường xung quanh để tạo động lực cho quá trình sấy

1.2 Các phương pháp sấy

Dựa vào phương pháp tạo động lực quá trình sấy, người ta chia ra hai phương pháp sấy: phương pháp sấy nóng và phương pháp sấy lạnh [2]

Hình 1.1 Động lực quá trình sấy

1.2.1 Phương pháp sấy nóng

Trong phương pháp sấy nóng, nhờ đốt nóng hoặc cả TNS lẫn VLS hoặc chỉ đốt nóng VLS mà hiệu số phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật pbm và phân áp suất hơi nước trong TNS ph tăng dẫn đến quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng VLS ra bề mặt và đi vào môi trường

Theo phương pháp cung cấp nhiệt, HTS nóng được phân thành các loại:

• HTS đối lưu: Đây là HTS phổ biến nhất Trong HTS này, VLS nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể nóng mà thông thường là không khí hoặc khói lò Trong HTS đối lưu người ta lại phân ra các loại: HTS buồng, HTS HTS hầm, HTS thùng quay, HTS tháp, HTS khí động…

• HTS tiếp xúc: đây là HTS trong đó VLS nhận nhiệt từ một bề mặt nóng bằng dẫn

nhiệt HTS tiếp xúc được chia làm hai loại: HTS lô và HTS tang

• HTS bức xạ: VLS nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để ẩm dịch chuyển từ trong lòng

VLS ra bề mặt và từ bề mặt khuếch tán vào môi trường

• Các HTS khác: ngoài ba HTS sấy nóng kể trên còn có HTS dùng dòng điện

cao tần hoặc dùng năng lượng từ trường để đốt nóng vật Giống như HTS bức xạ

và tiếp xúc, các HTS loại này cũng chỉ tạo ra độ chênh phân áp suất giữa VLS và môi trường bằng cách đốt nóng vật Do kỹ thuật tạo ra trường điện từ cũng như tính kinh tế của nó nên các HTS này rất ít gặp

1.2.2 Phương pháp sấy lạnh

Trong phương pháp sấy lạnh, động lực quá trình sấy L được tạo ra bằng cách giảm phân

áp suất hơi nước trong TNS ph nhờ giảm độ chứa ẩm d theo công thức [2]:

Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể trên dưới nhiệt độ môi trường (t > 0) và cũng có thể nhỏ hơn 0°C Phương pháp sấy lạnh có thể phân ra làm hai loại HTS:

• HTS lạnh ở nhiệt độ t < 0 °C

HTS này lại được phân thành hai loại: HTS thăng hoa và HTS chân không Trong HTS thăng hoa, VLS được làm lạnh xuống dưới điểm ba thể (nhiệt độ của vật liệu T < 273K, áp suất TNS bao quanh vật p < 610 Pa), ẩm trong VLS ở dạng rắn trực tiếp biến thành hơi đi vào TNS Trong HTS chân không, áp suất trong buồng sấy gần như áp suất chân không, nhiệt độ VLS có thể dương hoặc âm, nước trong VLS chuyển từ thể rắn sang thể lỏng, sau đó mới biến thành hơi đi vào TNS

• HTS lạnh ở nhiệt độ t > 0 °C

- HTS sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hợp máy lạnh: phương pháp này

sử dụng máy hút ẩm kết hợp với máy lạnh để tạo ra một môi trường sấy có nhiệt độ khá thấp, thường có thể bằng hoặc bé hơn nhiệt độ môi trường từ 5 ÷ 15 °C

- HTS sử dụng bơm nhiệt nén hơi: Bơm nhiệt có nhiệm vụ vừa tạo ra môi trường sấy cho vật liệu, vừa làm nhiệm vụ tách ẩm sau khi TNS ra khỏi buồng sấy

1.3 Phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt

1.3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống

Buång sÊy

1 2

3

BH

Qu¹t

MN Van TL

TC èng giã

NTn NTt

Van §T 3 ng¶

a)

1 2

èng giã

b)

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý làm việc của một HTS sử dụng bơm nhiệt

a) Điều chỉnh nhiệt độ vào buồng sấy bằng van điện từ 3 ngả b) Điều chỉnh nhiệt độ vào buồng sấy bằng quạt dàn ngưng ngoài

- vòng tuần hoàn của TNS

vòng tuần hoàn của môi chất lạnh

Hình 1.2 giới thiệu sơ đồ nguyên lý làm việc của một HTS sử dụng bơm nhiệt nén hơi TNS ở đây là không khí Không khí đi vào buồng sấy ở trạng thái 1 có độ ẩm tương đối thấp, trao đổi nhiệt ẩm với VLS và đi ra khỏi buồng sấy ở trạng thái 2

Lúc này không khí đã nhận ẩm của VLS nên có độ chứa ẩm cao và đi vào dàn bay hơi Tại đây, do nhiệt độ không khí bị hạ thấp xuống dưới nhiệt độ đọng sương nên ẩm trong không khí bị tách ra nhờ quá trình ngưng tụ trên bề mặt dàn bay hơi rồi được lấy ra ngoài Không khí sau khi được làm lạnh và hút ẩm ở trạng thái 3 được đưa qua dàn ngưng

tụ Sau dàn ngưng tụ, nhiệt độ không khí tăng lên và do đó độ ẩm tương đối φ giảm Không khí trở về trạng thái 1 và đi vào buồng sấy khép kín vòng tuần hoàn Trong nhiều trường hợp không sử dụng hết công suất nhiệt của dàn ngưng, có thể mắc thêm một dàn ngưng khác nằm ngoài vòng tuần hoàn của không khí (dàn ngưng phụ) để đẩy bớt nhiệt thừa ra ngoài môi trường Quá trình biến đổi trạng thái không khí trong hệ thống sấy được biểu diễn trên hình 1.3

Hỡnh 1.3 Quỏ trỡnh biến đổi trạng thỏi khụng khớ trong HTS trờn đồ thị I-d

1 – 2: quỏ trỡnh trao đổi nhiệt ẩm giữa khụng khớ với VLS trong buồng sấy

2 – 3: quỏ trỡnh làm lạnh và khử ẩm khi qua dàn bay hơi

3 – 1: quỏ trỡnh đốt núng khụng khớ khi qua dàn ngưng tụ

1.3.2 Cỏc tiờu chớ đỏnh giỏ hiệu quả của hệ thống sấy bơm nhiệt

Theo [16], hiệu quả tổng thể của một hệ thống sấy bơm nhiệt cú thể được đỏnh giỏ dựa vào một số tiờu chuẩn, bao gồm hệ số hiệu quả COP (Coefficient of Performance), lượng tỏch

ẩm riờng SMER (Specific Moisture Extraction Rate), lượng nhiệt thu hồi tại dàn bay hơi (heat recovered)

a) Hệ số hiệu quả COP

Hiệu quả của bơm nhiệt được đỏnh giỏ bởi hệ số hiệu quả COP, được định nghĩa [17]:

năng lượng hữu ích COP =

Tựy vào mục đớch sử dụng, năng lượng hữu ớch cú thể là năng suất nhiệt thải ra ở dàn ngưng tụ qk hoặc cả qk và năng suất lạnh q0 ở dàn bay hơi Năng suất nhiệt của bơm nhiệt tớnh theo phương trỡnh cõn bằng nhiệt ở mỏy lạnh:

T T

và dàn lạnh ΔT = Tk – T0 Để bơm nhiệt đạt hiệu quả kinh tế cao, thường người ta phải chọn hiệu nhiệt độ ΔT sao cho hệ số nhiệt thực tế của bơm nhiệt phải đạt từ 3 đến 4 trở lờn, nghĩa là hiệu nhiệt độ phải nhỏ hơn 60 K [4]

Tuy nhiờn, chỉ số COP chưa phản ỏnh được chớnh xỏc và đầy đủ hiệu quả thực của quỏ trỡnh sấy do tớnh đặc thự rất riờng của nhiệt năng, đú là khả năng biến đổi hạn chế và sự xuống cấp của năng lượng, nhất là trong cỏc quỏ trỡnh biến đổi năng lượng [7] Vỡ vậy, ngoài chỉ số COP, khi đỏnh giỏ hiệu quả của một mỏy sấy, người ta hay dựng lượng tỏch ẩm riờng SMER

b) Lượng tỏch ẩm riờng SMER

SMER được định nghĩa [17-18]:

,

Tổng lượng nước tách được từ VLS

SMER phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm tương đối khụng khớ vào buồng sấy, nhiệt độ ngưng tụ Tk, nhiệt độ bay hơi T0, hiệu quả của chu trỡnh lạnh, [17]

c) Lượng nhiệt thu hồi

Bên cạnh COP và SMER, hiệu quả của chu trình bơm nhiệt còn có thể được đánh giá bằng lượng nhiệt thu hồi tại các dàn bay hơi Lượng nhiệt thu hồi tại mỗi dàn bay hơi là lượng nhiệt thu hồi khi làm lạnh và tách ẩm không khí

Qth – lượng nhiệt thu hồi tại dàn bay hơi, kW

Gkk – lưu lượng không khí khi qua dàn bay hơi, kg/s

I1, I2 – lần lượt là enthalpy của không khí ẩm trước và sau khi đi qua dàn bay hơi, kJ/kg

Enthalpy I của không khí ẩm được tính theo công thức:

0

( ), kJ/kgkk

trong đó Cpk, Cph tương ứng là nhiệt dung riêng của không khí khô và hơi nước, kJ/kg.K;

r0 là nhiệt ẩn hóa hơi; t là nhiệt độ không khí, °C; d – độ chứa ẩm của không khí, kgâ/kgkk; Có thể lấy Cpk = 1,004 kJ/kgK; Cph = 1,842 kJ/kg.K và r0 = 2500 kJ/kg, [2] Khi đó enthalpy của không khí ẩm bằng:

kk

1.3.3 Các nghiên cứu về sấy bơm nhiệt trong và ngoài nước

Nhờ những ưu điểm vượt trội của bơm nhiệt về khả năng thu hồi nhiệt, tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường… nên hiện nay bơm nhiệt đã được nghiên cứu và ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực sử dụng nhiệt khác nhau Đặc biệt, khi ứng dụng bơm nhiệt trong công nghệ sấy nông sản thực phẩm, bơm nhiệt tỏ ra rất hiệu quả về nhiều mặt so với sấy bằng khí nóng thông thường, cụ thể là: quá trình sấy được tiến hành ở nhiệt độ thấp (điều này rất quan trọng đối với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ), hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn do cả nhiệt hiện và nhiệt ẩn của chất bay hơi được thu hồi, chất lượng sản phẩm tốt hơn, quá trình sấy hoàn toàn độc lập với điều kiện bên ngoài Ngoài ra công nghệ này thân thiện với môi trường do môi chất lạnh và hơi nước không thải ra không khí Những ưu điểm nổi bật cũng như đặc thù của sấy bơm nhiệt ngày càng thúc đẩy các nhà khoa học tập trung đi vào

nghiên cứu về lĩnh vực này theo các hướng và mục tiêu khác nhau

a) Các nghiên cứu ngoài nước

Từ rất sớm (1950) ở Mỹ người ta đã xây dựng một thí nghiệm sấy hạt nông sản bằng bơm nhiệt [4] Nhiệt độ buồng sấy, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi v.v… cũng như độ ẩm không khí được giám sát và khống chế chặt chẽ Buồng sấy là một phòng rộng 1,3 m2 để chứa hạt nông sản Bơm nhiệt có công suất máy nén 570W, môi chất R12 Quạt gió ly tâm công suất 380W để tuần hoàn gió Hệ thống có lắp đặt một mạng ống nước để điều chỉnh nhiệt độ sấy Quá trình sấy kết thúc khi hạt ngũ cốc đạt thủy phần khoảng 12 % Nhiệt độ sấy từ 43 ÷ 54

°C; tốc độ gió từ 550 ÷ 2000 m3/h Ở tốc độ gió 800 ÷ 1000m3/h giá thành đạt cực tiểu Tiêu tốn năng lượng cho 1kg ẩm ở nhiệt độ 43 °C là 0,28 kWh/kg, ở 54 °C là 0,27 kWh/kg Nếu so sánh với những bơm nhiệt sấy và hút ẩm ngày nay bán rộng rãi trên thị trường thì hệ số bơm nhiệt của nó cũng vào loại rất cao Kết luận công trình nghiên cứu, tác giả đưa ra rất nhiều ưu điểm nhưng nhược điểm là vốn đầu tư khá cao cho bơm nhiệt

Một trong những ứng dụng đầu tiên của bơm nhiệt vào công nghiệp sấy trên phạm vi thương mại là sử dụng bơm nhiệt để sấy gỗ Nhiệt độ sấy và độ ẩm là những thông số rất quan trọng đảm bảo chất lượng gỗ Hãng Westair đã nghiên cứu và sản xuất bơm nhiệt cho mục đích này Các công trình nghiên cứu được tiến hành hàng chục năm với hàng chục ngàn bộ thiết bị lắp đặt trên toàn thế giới Một kiểu lắp đặt đặc biệt của bơm nhiệt Westair được mô tả trên hình 1.4

Hình 1.4 Một buồng sấy gỗ bằng bơm nhiệt của hãng Westair

Một số công trình nghiên cứu gần đây về sấy bơm nhiệt đã công bố được nêu trong bảng 1.1

Bảng 1.1 Các nghiên cứu về sấy bơm nhiệt gần đây của các tác giả trên thế giới

K Chou, K Chua (1998) Singapore Nông sản và hải sản (nấm, trái

cây, rong biển, sò) Carington (1996), Sun (1996) New Zealand Gỗ tấm

Prasertsan (1997); Prasertsan và

Saen-saby (1998) Thailand Sấy nông sản (chuối)

Mason và Blarcom (1993) Australia Đá

Meyer và Greyvenstein (1992) Nam Phi Các loại hạt

Rossi (1992) Brazil Rau củ (hành tây)

Nassikas và cộng sự (1992) Hy Lạp Giấy báo

Strommen and Krammer (1994) Na Uy Hải sản (cá)

Trong [22], các tác giả tiến hành nghiên cứu sấy lá linh lăng, ngải cứu, bạc hà, bồ công anh, cà rốt, sâm… Nhiệt độ TNS khi vào buồng sấy là 30°C và 35°C Dựa vào tiêu hao năng lượng, các tác giả cũng đã kết luận việc sấy bằng bơm nhiệt đã tiết kiệm 22% năng lượng và 65% thời gian so với việc sấy bằng điện trở ở cùng nhiệt độ…

Ngoài ra còn có rất nhiều công trình khác về sấy bơm nhiệt với các loại sản phẩm sấy khác nhau Các nghiên cứu trên đây gồm có cả lý thuyết và mô hình thực nghiệm nhằm tìm ra các quy luật truyền nhiệt, truyền chất, trong từng giai đoạn sấy, đánh giá ảnh hưởng của các thông số TNS như tốc độ, nhiệt độ, độ ẩm, lượng bypass… đến khả năng tách ẩm, chất lượng sản phẩm, tiêu hao năng lượng… cũng như tìm ra chế độ sấy hợp lý cho từng loại sản phẩm

b) Các nghiên cứu trong nước

Tại Việt Nam, trong những năm gần đây lĩnh vực sấy sử dụng bơm nhiệt cũng đã thu được những kết quả nhất định Các kết quả được nghiên cứu áp dụng cho điều kiện Việt Nam; vật liệu sấy là các nông sản tại Việt Nam, chế độ sấy thường là không thay đổi

Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy [10], nghiên cứu và chuyển giao công nghệ sấy kẹo Jelly tại công ty bánh kẹo Hải Hà bằng phương pháp sấy lạnh dùng bơm nhiệt Và hiệu quả của công nghệ được đánh giá như sau:

+ Có thể điều chỉnh được nhiệt độ sấy từ 20 ÷ 250C

+ Độ ẩm cùa không khí vào buồng có thể đạt φ = 23% hoàn toàn đáp ứng chỉ tiêu sấy lạnh của sản phẩm, trong khi độ ẩm bên ngoài là 85%

Giá đầu tư buồng sấy chỉ bằng 50% so với phương pháp cũ (dùng chất hút ẩm silicagel)

+ Giá vận hành chỉ bằng khoảng 70%

+ Không phải thay thế, tái sinh chất hút ẩm

+ Có khả năng tự động hóa hoàn toàn quá trình khống chế nhiệt độ và độ ẩm của buồng sấy

Phạm Văn Tùy cùng các cộng sự [11], nghiên cứu và chế tạo thành công máy sấy lạnh hút ẩm đa năng và ứng dụng sấy một số sản phẩm như: cà rốt, củ cải, hành lá, thì là Kết quả được các sản phẩm sau khi sấy vẫn giữ nguyên màu tự nhiên dù đã sấy khô, hàm lượng vitamin C ở mức cao hơn hẳn so với các sản phẩm rau quả sấy bằng không khí nóng

Bảng 1.2 So sánh chất lượng thực phẩm sấy bằng công nghệ sấy lạnh so với các công

nghệ sấy truyền thống

Nguyên

liệu Phương pháp sấy

Nhận xét chất lượng cảm quan

Hàm lượng vitamin C,

%

Độ ẩm cuối,

Củ cải

Sấy lạnh bơm nhiệt Trắng ngà, thẳng xốp 64 6,1 Sấy lạnh bằng khí nóng Xanh tối, xốp, khá thơm 27 6,0 Hành lá

Sấy bằng hồng ngoại Xanh thẫm, xốp, thơm 54 5,2

Một số đề tài nghiên cứu khác đi vào hướng tối ưu chế độ sấy dựa trên một hệ thống sấy sẵn có [13]; phân tích hiệu quả làm việc của hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh hay đặc tính động học của một quá trình xảy ra trong hệ thống [14], [15]

Chung quy lại, các hướng nghiên cứu đều tập trung vào mục đích làm cho hệ thống bơm nhiệt ngày càng tiết kiệm hơn nữa, ngày càng đa dạng hơn, sản phẩm sấy chất lượng ngày càng tốt hơn, đáp ứng được nhiều nhu cầu công nghệ khác nhau

1.4 Vấn đề thay đổi thông số TNS

Hiện nay, vấn đề tiết kiệm năng lượng đang đặt ra vô cùng cấp thiết Sấy là một trong những công đoạn tiêu thụ nhiều năng lượng nhất trong dây chuyền bảo quản cũng như chế biến sản phẩm Các phương pháp sấy nóng truyền thống (sấy đối lưu, sấy tiếp xúc,…) thường

sử dụng không khí ngoài môi trường làm TNS đồng thời là tác nhân thải ẩm, chế độ sấy thường phải duy trì ổn định Do đó, năng lượng tiêu thụ cho hệ thống tương đối lớn dẫn đến tiêu thụ năng lượng trên một đơn vị sản phẩm cao Ngoài ra, do nhiệt độ vào buồng sấy lớn nên các phương pháp này không áp dụng được với những vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ Phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt đã được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến ở nhiều nước trên thế giới vì những ưu điểm vượt trội của nó về mặt tiết kiệm năng lượng, nâng cao chất lượng sản phẩm so với các phương pháp sấy bằng khí nóng thông thường Tuy nhiên, nhược điểm của phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt truyền thống là đầu tư ban đầu cao, công nghệ vận hành phức tạp và phải sử dụng điện là nguồn năng lượng cao cấp

Những nghiên cứu gần đây về công nghệ sấy gián đoạn trên các HTS khác nhau đã cho thấy hiệu quả của nó về mặt tiết kiệm năng lượng, nâng cao chất lượng sản phẩm Việc áp dụng sấy gián đoạn theo mẻ bằng bơm nhiệt là rất có khả năng áp dụng và có thể áp dụng phổ biến trong điều kiện nước ta Những phương pháp và cách thức tổ chức sấy gián đoạn được nói rõ hơn trong chương 2

1.5 Tổng quát các nội dung nghiên cứu của luận văn

1.5.1 Mục đích nghiên cứu của luận văn

Mục tiêu của đề tài là xây dựng và hoàn thiện mô hình để tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm sấy gián đoạn trên hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi với các nội dung cơ bản:

giới thiệu quy trình sấy gián đoạn đồng thời tiến hành nghiên cứu sấy gián đoạn theo mẻ, hoàn thiện mô hình hệ thống, thực nghiệm sấy và từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu mới về công nghệ sấy gián đoạn đang còn tương đối mới mẻ trên thế giới và chưa được xem xét nghiên cứu tại Việt Nam

1.5.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào hai nội dung chính đó là:

- Xây dựng và hoàn thiện mô hình hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi

- Sấy gián đoạn theo mẻ trên hệ thống sấy bơm nhiệt vừa hoàn thiện

1.5.3 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng các phương pháp: phân tích, tổng hợp số liệu; sử dụng tài liệu…

Chương 2

PHƯƠNG PHÁP SẤY GIÁN ĐOẠN

Trong các quá trình sấy truyền thống, nhiệt độ, độ ẩm và lưu lượng không khí là những thông số không đổi Sấy đối lưu ở trạng thái ổn định vận hành tuy dễ dàng nhưng không phải lúc nào cũng hiệu quả Dễ nhận thấy rằng sấy ở chế độ sấy dịu gây ra ứng suất nhỏ hơn và đạt được chất lượng sản phẩm sấy tốt hơn so với sấy nóng nhưng thời gian sấy kéo dài như vậy trong nhiều trường hợp lại gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng sản phẩm Mặt khác khi sấy ở trạng thái ổn định trong điều kiện khắc nghiệt có thể rút ngắn thời gian sấy nhưng thường gây nên sự co ngót mạnh và không đồng nhất và tạo nên nhiều ứng suất làm ảnh hưởng xấu đến VLS

2.1 Các phương pháp sấy gián đoạn

Bằng lý thuyết và các chứng minh thực nghiệm, các nhà khoa học đã tìm ra các phương pháp sấy mới hiệu quả hơn và có tốc độ xử lý cao mà đồng thời không ảnh hưởng tới chất lượng vật liệu sấy Năng lượng được có thể được cung cấp bằng cách kết hợp các phương thức truyền nhiệt khác nhau (thí dụ đối lưu kết hợp dẫn nhiệt hoặc bức xạ, hoặc đốt nóng đồng thời với chất trung gian…) trong một khoảng thời gian thay đổi sao cho có thể tạo ra được quá trình động học sấy tốt nhất cũng như đảm bảo yêu cầu chất lượng sản phẩm Trong đa số trường hợp, phương pháp hiệu quả nhất để tăng cường quá trình sấy là kết hợp một số kỹ thuật như tăng cường sấy đối lưu với sấy bằng vi sóng và sấy hồng ngoại Nghĩa là kết hợp cấp nhiệt bề mặt với cấp nhiệt thể tích

Trong trường hợp sấy các vật liệu hữu cơ, việc duy trì các chất dinh dưỡng là rất quan trọng, tương tự đối với các vật liệu sấy là dược phẩm thì những tinh chất càng cần được bảo quản Vì vậy khi sấy những vật liệu đặc biệt quan trọng, chất lượng sản phẩm được đặt lên hàng đầu Ngày nay, các phương pháp sấy mới trong các tài liệu chuyên ngành đặc biệt là những phương pháp nâng cao hiệu quả của quá trình sấy không chỉ được đề cập ở một khía cạnh tiết kiệm năng lượng hoặc rút ngắn thời gian sấy mà còn ở khía cạnh nâng cao chất lượng sản phẩm sấy Trong những phương pháp đó thì sấy gián đoạn được coi là một phương

pháp khá hiệu quả và có thể áp dụng cho đa số các HTS khác nhau Bản chất của quá trình sấy này là ở chỗ làm cho thông số của TNS bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ, áp suất… trước khi vào buồng sấy thay đổi gián đoạn theo thời gian

Sơ đồ phân loại tổng quát các kiểu sấy gián đoạn dựa theo dạng thay đổi thông số TNS được trình bày trên hình 2.1 [19]

Hình 2.1 Sơ đồ phân loại tổng quát các kiểu sấy gián đoạn

Nét đặc trưng của sấy gián đoạn trong kỹ thuật sấy là kiểu sấy bao gồm các chế độ ON/OFF với ba thông số chính: nhiệt cấp vào, áp suất trong buồng sấy và tốc độ không khí TNS Tuy nhiên, sự gián đoạn kiểu khác cũng có thể được bổ sung vào quá trình sấy này, ví

Thay đổi kiểu

ON/OFF

Thay đổi tùy ý/ hoặc được điều khiển

Biên độ và độ dốc không đổi

∙ Thay đổi tuyến tính hoặc theo hàm mũ

∙ Thay đổi theo nhiệt

Thay đổi dạng chu kỳ

Thay đổi độ dốc

Chu kỳ/độ dốc thay

đổi

Biên độ và độ dốc khác nhau Biên độ/tần số thay

đổi

dụ chu kỳ/độ dốc và sự biến đổi tùy ý ba thông số trên trong một chu kỳ

Theo cách thức thay đổi thông số TNS, quy trình sấy gián đoạn có thể dễ dàng phân thành các loại chủ yếu sau [19]:

a) Sấy gián đoạn theo cách tại đó, dòng nhiệt được cung cấp một cách gián đoạn Điều này có thể thực hiện bằng cách làm gián đoạn dòng không khí để cho vật liệu sấy trong chu kỳ

“nghỉ” hoặc “ủ” (tempering), bằng cách cấp nhiệt theo chu kỳ đối với dòng không khí liên tục,

hoặc bằng cách thay đổi theo chu kỳ lưu lượng dòng không khí, hoặc cả hai;

b) Quá trình sấy gián đoạn thường cũng có thể tiến hành theo cách kết hợp các giai đoạn cấp nhiệt khác nhau (cấp nhiệt theo chu kỳ): giai đoạn sấy với nhiệt độ cao trong thời gian ngắn, giai đoạn ủ, và kết thúc quá trình sấy bằng cách làm lạnh ở thời gian dài hơn;

c) Đảo chiều không khí trong quá trình sấy: tức là đảo ngược hướng của dòng TNS mỗi chu kỳ một lần sau đó trở lại hướng ban đầu Kiểu sấy này được ứng dụng trong sấy buồng (mà VLS đặt thành lớp sâu) để giảm đến mức tối thiểu gradient nhiệt độ và gradient độ ẩm trong lớp vật liệu;

d) Sấy theo chu kỳ (cyclic drying) là quá trình sấy mà nhiệt độ không khí, độ ẩm hoặc

tốc độ trải qua một chu kỳ biến đổi xác định giống như dạng sin, sóng vuông, răng cưa Áp suất làm việc cũng có thể tuần hoàn theo chu kỳ

Đối với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ, chất lượng sản phẩm sấy phụ thuộc phần lớn vào trạng thái của TNS Điều chỉnh trạng thái cấp nhiệt nghĩa là hoặc là tăng hoặc giảm nhiệt độ và thường xuyên phải theo dõi chính xác phân bố nhiệt độ trong VLS Do đó, cần thiết phải hiểu sâu sắc các biến đổi nhiệt độ trong những VLS nhạy cảm với nhiệt, tương ứng liên quan đến chất lượng sản phẩm và tiêu thụ năng lượng của thiết bị khi điều kiện sấy không ổn định Vì vậy, để tiêu thụ năng lượng tối ưu và cải thiện chất lượng, điều quan trọng

là phải hợp lý hóa nhu cầu năng lượng của sản phẩm trong suốt quá trình sấy với việc cung cấp năng lượng từ bên ngoài bằng cách sử dụng các phương thức thay đổi thông số TNS cho phù hợp

Đáng chú ý rằng nhiều quá trình sấy truyền thống được cho là sấy liên tục trên thực tế

vốn là gián đoạn Sấy thùng quay, sấy khí động (spouted bed drying) và sấy giấy trên máy sấy

cơ khí thông thường nhiều lô quay là một trong những ví dụ về quá trình sấy vốn là gián đoạn Nếu như quan sát một cách thận trọng các quy trình thực tế liên quan đến một HTS thông thường có thể không khó khăn để thấy rằng truyền nhiệt và truyền chất xảy ra chỉ trong một phần của buồng sấy trong khi phần khác của buồng sấy thực chất hoạt động như là giai đoạn ủ cho phép thời gian cho ẩm bên trong di chuyển tới bề mặt trước khi VLS lại thực hiện quá trình truyền nhiệt/ truyền chất trong giai đoạn cấp nhiệt kế tiếp

Sự khác biệt chủ yếu ở đây là số lần lặp lại chu kỳ hoạt động được đặc trưng bởi cả thông số hình học và thông số hoạt động khi thiết kế và không thể tách rời hai yếu tố này được Sấy gián đoạn được xem xét ở đây và được giới hạn trong hệ thống sấy nhờ vào tần số hoặc thời gian cấp nhiệt biến thiên theo một mô hình truyền nhiệt nào đó có thể điều khiển độc lập Chú ý rằng sự biến đổi thông số TNS theo thời gian có thể chỉ đối với sấy mẻ trong khi ở buồng sấy liên tục, sự biến đổi này lại xảy ra theo không gian cấp nhiệt dọc theo chiều dài buồng sấy, ví dụ nhiệt độ của dòng không khí trong buồng sấy tầng sôi thay đổi tại các tiết diện dọc theo chiều dài của không gian sấy

2.2 Sấy gián đoạn theo mẻ sử dụng bơm nhiệt

2.2.1 Các kiểu sấy gián đoạn theo mẻ bằng bơm nhiệt

Sấy gián đoạn bao gồm tất cả các kiểu sấy mẻ mà ở đó có sự thay đổi thông số TNS theo thời gian như nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng dòng TNS và/hoặc bao gồm cả áp suất làm việc, chẳng hạn sự thay đổi mang tính chu kỳ của áp suất (từ cao xuống áp suất khí quyển) hoặc sự thay đổi tuần hoàn của áp suất theo mức trong sấy chân không Tần số lặp lại của sự thay đổi không mang tính đặc trưng cao Sự hoạt động kiểu như vậy có thể áp dụng cho những vật liệu sấy nhạy cảm với nhiệt độ, chu kỳ sấy kéo dài, ngoại trừ trường hợp giảm tốc độ tuần hoàn Nói chung có thể cho rằng thời gian sấy tăng ở mức độ nhẹ hoặc vừa phải nhưng bù lại năng lượng tiêu thụ giảm và chất lượng sản phẩm sấy tăng lên

Các thông số cơ bản của TNS trong quá trình sấy bao gồm nhiệt độ, độ ẩm, lưu lượng

Nó có ảnh hưởng quyết định đến toàn bộ quá trình sấy, bao gồm thời gian sấy, năng lượng tiêu thụ, chất lượng sản phẩm… Đối với một hệ thống sấy bơm nhiệt theo mẻ, thông thường quá trình sấy gián đoạn được phân thành các loại:

a) Gián đoạn sự thay đổi nhiệt độ của không khí;

b) Gián đoạn về lưu lượng không khí đóng vai trò TNS;

c) Gián đoạn sự điều chỉnh độ ẩm không khí;

d) Gián đoạn dưới hình thức bổ sung các nguồn năng lượng khác như hồng ngoại, vi sóng…

Trong ba loại trên, sự điều chỉnh gián đoạn nhiệt độ của không khí được xem là có ảnh hưởng quan trọng nhất đến động học quá trình sấy và các thông số chất lượng sản phẩm [18]

2.2.2 Phương pháp cấp nhiệt gián đoạn theo kiểu ON/OFF

Một kiểu sấy gián đoạn điển hình là kiểu ON/OFF để thay đổi gián đoạn các thông số như: lượng nhiệt cấp vào, nhiệt độ TNS, tốc độ TNS và/hoặc áp suất làm việc theo chu kỳ Đối với chế độ cấp nhiệt ON/OFF, mỗi chu kỳ gồm hai giai đoạn chính: cấp nhiệt và ngừng cấp nhiệt (hay còn gọi là giai đoạn ủ) Trong giai đoạn cấp nhiệt, máy nén, quạt và các thiết bị điều khiển hoạt động Trong giai đoạn ngừng cấp nhiệt, máy nén ngừng hoạt động (quạt và hệ thống điều khiển có thể hoạt động hoặc ngừng hoạt động) Hai giai đoạn riêng biệt này được thực hiện ở chế độ luân phiên (hình 2.2)

Hình 2.2 Sơ đồ cấp nhiệt và ngừng cấp nhiệt cho buồng sấy

Q e – Công suất nhiệt cấp cho buồng sấy, τ on – thời gian cấp nhiệt,

τ off – thời gian ủ, τ – chu kỳ làm việc

Mỗi một chu kỳ làm việc được đặc trưng bởi hệ số thời gian làm việc b Tỉ số giữa thời gian cấp nhiệt vào buồng sấy trong một chu kỳ với chu kỳ làm việc được gọi là hệ số thời gian làm việc [18]:

2.2.3 Phương pháp cấp nhiệt theo chu kỳ

Ngoài chế độ cấp nhiệt - ủ luân phiên, việc áp dụng sự thay đổi từng bước nhiệt độ làm việc nhằm giảm thiểu hoá yêu cầu năng lượng Đây là do về cuối quá trình sấy được điều khiển bởi khuếch tán ẩm bên trong, trong khi đó các yếu tố bên ngoài có ảnh hưởng hữu hạn đến động lực quá trình sấy Như vậy một cách khả thi để giảm tổn thất năng lượng là giảm từ

từ lượng nhiệt cấp cho VLS trong quá trình sấy Tuy nhiên, cần chú ý rằng nhiệt độ sấy tại giai đoạn cuối quá trình sấy không thể quá thấp vì độ chứa ẩm cân bằng hay độ ẩm cân bằng phụ thuộc nhiệt độ (Chong và Law, 2009) [17] Người ta có thể thay đổi lượng nhiệt cấp bằng các phương thức truyền nhiệt khác nhau (ví dụ đối lưu, bức xạ, hồng ngoại (Afzal, 2003; King và Lin, 2009) hoặc cấp nhiệt ở sóng radio Nhiều chế độ cấp nhiệt có thể được sử dụng để khử

ẩm đồng thời cả ẩm bề mặt và ẩm bên trong [17]

Hình 2.3 Các dạng profiles nhiệt độ của TNS trong HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi

Thời gian sấy, phút

Nhiệt

độ

(°C)

Máy sấy bơm nhiệt có thể cung cấp cả hai chế độ sấy nóng và sấy lạnh với độ ẩm xác định tại các giai đoạn khác nhau của quá trình sấy Vì vậy nó có khả năng kết hợp các chế độ sấy khác nhau nhằm đạt hiệu suất tối đa và nâng cao chất lượng sản phẩm Hình 2.3 cho thấy một vài dạng biến thiên nhiệt độ có thể tạo ra trong hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi (Chua et al, 1998) [17]

Những vấn đề nêu trên đã được nhiều tác giả trên thế giới tập trung nghiên cứu và công

2.3.1 Cơ chế truyền nhiệt – truyền ẩm trong các quá trình sấy

Quá trình sấy bao gồm hai quá trình xảy ra liên tiếp là: truyền ẩm từ trong vật sấy ra ngoài bề mặt và thoát hơi ẩm từ bề mặt vào môi trường Tốc độ sấy phụ thuộc vào tốc độ biến đổi ẩm trong vật sấy và trên bề mặt vật sấy

Trong nhiều công trình nghiên cứu người ta xem quá trình truyền nhiệt và truyền chất đồng dạng nhau Vě vậy tương tự như phương trình Fourier về dẫn nhiệt ta có phương trình dẫn chất mô tả sự dẫn ẩm trong vật thể như sau:

+  m hệ số dẫn chất (tương tự hệ số dẫn nhiệt) đặc trưng cho khả năng truyền ẩm; + a m hệ số dẫn thế ẩm (tương tự hệ số dẫn nhiệt độ), đặc trưng cho tốc độ biến đổi thế truyền ẩm trong vật;

+  o trọng lượng riêng của vật liệu khô

Như vậy nếu kể đến ảnh hưởng của hiện tượng khuếch tán nhiệt thì phương trình dẫn

ẩm có dạng:

j   a u    a t     j  j (2.4) trong đó:

+ r – nhiệt biến đổi pha;

+ C – nhiệt dung riêng của vật, C = Co + Cn.ω; Co – nhiệt dung triêng của vật khô, Cn – nhiệt dung riêng của hơi nước, ω – thủy phần của vật liệu;

+ a – hệ số dẫn nhiệt độ

Hệ số am và  chỉ phụ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ theo quy luật mô tả trên hình 2.4

Hình 2.4 Quan hệ của hệ số a m và δ với nhiệt độ và độ ẩm

Khảo sát phương trình (2.5) ta thấy rằng khi hiệu số nhiệt độ, hiệu số độ ẩm ở trong và ngoài vật càng lớn thì tốc độ sấy càng lớn

Khi sấy đối lưu, vật sấy đặt trong dòng không khí hay khói nóng Quá trình truyền nhiệt thực hiện từ bề mặt vào trong vật sấy Nhiệt độ bề mặt vật lớn hơn nhiệt độ bên trong vật sấy Do đó độ chênh lệch nhiệt độ này ảnh hưởng xấu đến quá trình dẫn ẩm từ trong vật sấy ra ngoài Nói cách khác trong quá trình sấy đối lưu việc dẫn ẩm từ trong vật sấy ra ngoài gây nên do gradient độ ẩm, còn gradient nhiệt độ ngược lại làm chậm sự dẫn

ẩm Trên hình 2.5a mô tả sự thay đổi độ ẩm và nhiệt độ bên trong vật sấy theo thời gian sấy

Dòng ẩm từ trong vật sấy truyền ra ngoài trong sấy đối lưu là:

m ma mt

Hình 2.5 Sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm bên trong VLS theo thời gian

a) Sấy đối lưu; b) Sấy tiếp xúc; c) Sấy bức xạ

Sự bay hơi ẩm trên bề mặt vật liệu tạo nên dòng ẩm trong vật sấy Ở nhiều vật liệu dạng

ẩm này gây nên sự co ngót của vật liệu sấy Hiện tượng này làm cho vật sấy bị kéo ở các lớp ngoài và bị nén ở các lớp trong Quá trình sấy với tốc độ càng lớn thì càng tăng độ chênh độ

ẩm giữa bề mặt vật và bên trong vật do đó càng làm tăng ứng suất dư trong vật sấy và có thể dẫn đến bị nứt vỡ vụn ra Do đó sức bền kéo là giới hạn của tốc độ sấy của vật thể Ở một số vật liệu sức bền kéo nhỏ đồng thời ứng suất dư tăng nhanh khi tăng độ chênh ẩm trong vật Đối với các vật liệu này khi sấy đối lưu phải chọn tốc độ sấy nhỏ do đó thời gian sấy rất dài, ví

dụ như sấy gỗ sồi thời gian sấy dài đến hàng trăm giờ

Khi sấy tiếp xúc, sự gia nhiệt thực hiện ở một phía của vật sấy gradient độ ẩm có chiều

từ bề mặt tiếp xúc hướng ra phía ngoài còn gradient nhiệt độ có chiều ngược lại (hình 2.5b) Trường hợp này gradient nhiệt độ tăng cường quá trình sấy còn gradient độ ẩm kìm hãm quá

trình sấy Dòng ẩm thoát ra từ vật sấy là:

Khi sấy bức xạ (hình 2.5c), lúc đầu bề mặt vật được gia nhiệt rất nhanh gây nên độ chênh ẩm rất lớn giữa tâm và bề mặt vật Độ chênh này gây nên ứng suất cơ học đáng kể Nếu vật liệu là loại xốp mao dẫn ứng suất này sẽ làm nứt vật sấy Do đó sấy bức xạ thuần túy không dùng để sấy các vật xốp mao dẫn (trong công nghiệp) Khi ứng dụng cần phải kèm theo các phương pháp gia nhiệt khác nữa

Khi sấy bức xạ tia hồng ngoại, tia này có thể thâm nhập vào chiều sâu vật thể 3 - 5

mm, vì vậy ở chiều sâu này nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ bề mặt vật thể Ở khoảng cách chiều sâu này gradient độ ẩm và cả gradient nhiệt độ đều gia tăng dòng ẩm thoát ra từ vật Vì vậy sấy bức xạ bằng tia hồng ngoại rất hiệu quả với các vật liệu mỏng (chiều dày nhỏ hơn 10 - 12 mm)

2.3.2 Truyền nhiệt – truyền ẩm trong quá trình cấp nhiệt gián đoạn

Như đã trình bày ở trên, trong quá trình cấp nhiệt gián đoạn (cấp nhiệt ON/OFF hoặc cấp nhiệt theo chu kỳ), nhiệt độ của TNS và VLS thay đổi không giống như trong quá trình sấy liên tục

Khi cấp nhiệt, nhiệt độ TNS cao hơn nhiệt độ của VLS Dòng nhiệt truyền từ TNS đến VLS bằng đối lưu, sau đó truyền từ bề mặt vào tâm vật nhờ dẫn nhiệt Do lớp bề mặt VLS được cấp nhiệt, nhiệt độ bề mặt cao hơn nhiệt độ tại tâm vật liệu Phân áp suất hơi nước tại lớp

bề mặt VLS nhỏ hơn phân áp suất hơi nước trong tâm vật, dòng ẩm dịch chuyển từ tâm ra lớp

bề mặt và từ bề mặt khuếch tán ra ngoài môi trường Trong quá trình này, dòng nhiệt và dòng

ẩm ngược chiều Do đó, gradient nhiệt độ và gradient độ ẩm ngược chiều nhau Gradient nhiệt

độ làm cản trở dòng dịch chuyển ẩm Theo phương trình (2.4), dòng ẩm trong giai đoạn này là:

m ma mt

Các quá trình trên xảy ra đồng thời và có thể được mô tả bởi hệ phương trình vi phân dẫn nhiệt dẫn chất hỗn hợp (2.5) và (2.6) viết cho trường hợp VLS có dạng tấm phẳng

Trong quá trình ủ, nhiệt độ VLS cao hơn nhiệt độ TNS nên dòng nhiệt có chiều từ tâm

ra bề mặt, cùng chiều với chiều của dòng ẩm Gradient nhiệt độ sẽ cùng chiều với gradient ẩm trong lòng vật liệu làm tăng cường quá trình truyền ẩm tới bề mặt vật liệu sấy Theo phương trình (2.4), dòng ẩm trong giai đoạn này là:

ẩm từ bề mặt tới tác nhân sấy trong giai đoạn kế tiếp sẽ giảm đáng kể Ẩm trong VLS bị khuếch tán ra bề mặt và tự nó cân bằng với phần còn lại của vật liệu Trong giai đoạn sấy tiếp sau đó, bề mặt vật lại được sấy nhanh chóng và phần dốc của đường cong sấy lại được lặp lại Khả năng tách ẩm hay SMER của hệ thống sấy sẽ tăng lên đáng kể trong giai đoạn cấp nhiệt kế tiếp Nếu là sấy mẻ gián đoạn thì thời gian sấy tổng có thể tăng lên đôi chút nhưng bù lại là độ giảm năng lượng tiêu thụ và chất lượng sản phẩm sấy tốt hơn [20]

Hình 2.6 Biến thiên độ chứa ẩm bề mặt và trung bình của vật liệu sấy khi cấp nhiệt và

ngừng cấp nhiệt theo chu kỳ [20]

2.4 Một vài kết quả nghiên cứu về sấy gián đoạn trên thế giới

Năm 1991, Mujumdar đã xác nhận và đề xuất lần đầu tiên việc sử dụng nhiều chế độ

của các mức thay đổi nhiệt độ cấp vào buồng sấy, đồng thời hoặc liên tiếp cũng như thay đổi chu kỳ vận tốc, áp suất làm việc đối với sấy mẻ hoặc sấy liên tục bằng công nghệ bơm nhiệt Bằng việc sử dụng nhiều chế độ nhiệt độ, có thể tăng nhanh động học sấy mà không ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm sấy Các TBS như sấy thùng quay, sấy phun hoặc TBS tiếp xúc đều có thể sấy gián đoạn được vì nhiệt được cấp gián đoạn theo chu trình vận hành TBS Cho đến giờ chúng vẫn không được gọi là gián đoạn do khoảng thời gian on và off nhiệt cấp vào không thể thay thế một cách độc lập các thông số làm việc khác [20]

Hiệu quả của sấy gián đoạn về mặt tiết kiệm năng lượng được nghiên cứu bởi Jumah [20] cùng các tác giả khác (1996) về sấy gián đoạn xiên cá trong các buồng sấy khí động; họ tìm ra rằng tầm quan trọng của năng lượng và lợi thế về mặt chất lượng phát sinh từ sấy gián đoạn các hạt nhạy cảm với nhiệt độ Ratti và Mujumdar [20] (1993) có đưa ra mô hình nghiên cứu về sấy mẻ với vật liệu hút

ẩm trong buồng sấy cố định với tốc độ dòng TNS thay đổi theo thời gian Nghiên cứu chỉ ra rằng sự tiêu thụ không khí tổng cộng cho quá trình sấy giảm cùng với

sự tăng không đáng kể hoặc không tăng thời gian sấy Lợi ích về kinh tế ở chỗ giảm năng lượng tiêu thụ cho việc vận chuyển không khí mà điều này sẽ rốt cuộc

sẽ ảnh hưởng đến toàn bộ chi phí vận hành của hệ thống sấy Hiệu quả sấy tốt nhất

có thể nhận được tức thời khi sử dụng phương pháp hút ẩm bằng nhiệt với một vài

sự thay đổi, trong đó nhiệt độ và tốc độ sấy trung bình có thể điều chỉnh một cách gián đoạn [20]

Hai tác giả S.J Kowalski và A Pawlowski [21] đã tiến hành thí nghiệm nghiên cứu sấy gián đoạn trên vật mẫu và lưu ý đến thời gian sấy, năng lượng tiêu thụ và chất lượng của VLS Trong nghiên cứu này sử dụng một vật mẫu hình trụ có độ chứa ẩm ban đầu 0,4 (kg ẩm/kg khô), đường kính d = 50mm, chiều cao H = 60 mm làm bằng vật liệu đất sét cao lanh Các thí nghiệm được thực hiện trong phòng thí nghiệm với máy sấy Zalmed 42/250/M được trang bị máy tạo ẩm, thiết bị làm lạnh TNS, thiết bị đo sóng âm thanh được sử dụng để hiện thị trực

tiếp trên màn hình để phát hiện ra những vết nứt ban đầu của vật liệu và vì thế để thiết lập các thời điểm mà tại đó các thay đổi của điều kiện sấy nên được bắt đầu, cân để đo trọng lượng vật mẫu và các dụng cụ để đo nhiệt độ và độ ẩm của TNS Tất cả các thông số ở trên được đo nửa phút một và ghi lại vào máy tính với phần mềm SAPS Các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm đặt gần các mẫu sấy cho phép điều khiển chính xác quá trình sấy gián đoạn Mô hình thí nghiệm thể hiện trên hình 2.7

Hình 2.7 Mô hình thiết bị thí nghiệm Zalmed 42/250/M

1-Thiết bị giữ thăng bằng, 2- đĩa cân, 3-vật mẫu, 4-buồng sấy, 5-cảm biến nhiệt độ và

độ ẩm, 6-bộ truyền xung âm thanh, 7-bộ khuếch đại chính, 9-buồng làm lạnh và hút ẩm không

khí, 10-máy vi tính

Đầu tiên, thí nghiệm với trường hợp sấy trong điều kiện ổn định với nhiệt độ TNS 100

°C và độ ẩm tương đương với nhiệt độ này Tiếp theo tiến hành hai thí nghiệm sấy gián đoạn với sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm tương đối của TNS Sự thay đổi nhiệt độ khi sấy gián đoạn bắt đầu trước khi kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi với nhiệt độ thay đổi theo bậc từ 40°C – 100 °C (hình 2.8)

Hình 2.8 Sự thay đổi khối lượng VLS theo thời gian khi

thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ

Trường hợp thay đổi độ ẩm TNS, độ ẩm TNS được thay đổi từ 4% - 80% ở nhiệt độ TNS không đổi và bằng 100 °C (hình 2.9) Sau ba thí nghiệm, sự tiêu thụ năng lượng và chất lượng vật mẫu sẽ được kiểm tra Chất lượng của vật mẫu được đánh giá trực quan thông qua việc quan sát bề mặt của vật mẫu Kết quả chỉ ra rằng sấy gián đoạn sẽ làm cho chất lượng sản phẩm tốt hơn so với sấy ở điều kiện không đổi ở cùng một thời gian sấy như nhau (hình 2.10) Trường hợp TNS duy trì ở nhiệt độ không đổi 100°C, tốc độ sấy cao, thời gian sấy ngắn Tuy nhiên, do tốc độ thoát ẩm nhanh nên dễ hình thành vết nứt vật liệu Tiêu thụ năng lượng trong quá trình đốt nóng và ngừng cấp nhiệt trong khoảng thời gian 2h cho thấy thấp hơn so với sấy

ở điều kiện tĩnh với cùng khoảng thời gian Như vậy, sấy ở nhiệt độ và độ ẩm không khí thay đổi có ảnh hưởng tích cực không chỉ về chất lượng của vật liệu mà còn cả năng lượng tiêu thụ