Nghiên cứu thiết kế thiết bị sấy tảo xoắn bằng bơm nhiệt

luận văn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

-
-

LÊ VĂN LỄ

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ THIẾT BỊ

SẤY TẢO XOẮN BẰNG BƠM NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Chuyên ngành: Kỹ thuật máy và thiết bị cơ giới hóa nông lâm nghiệp

Mã số : 60.52.14

Người hướng dẫn khoa học : GS.TS.Phạm Văn Thiêm

HÀ NỘI - 2010

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin trân tr ọng cảm ơn GS.TS Phạm Văn Thiêm, người ñã trực tiếp hướng

d ẫn, cùng tập thể thầy cô giáo Bộ môn Thiết bị bảo quản và chế biến nông sản – Khoa C ơ ñiện trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội ñã giúp ñỡ tôi thực hiện ñề tài này

Tôi c ũng xin trân trọng cảm ơn Trung tâm nghiên cứu sắc ký – Trường ðại học Bách khoa Hà N ội, Trường Trung cấp nghề Cơ ñiện và chế biến thực phẩm ñã tạo

m ọi ñiều kiện giúp tôi trong quá trình thực hiện ñề tài

Và cu ối cùng tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các bạn bè, ñồng nghiệp ñã quan tâm ñộng viên giúp ñỡ tôi trong suốt thời gian qua

Tác gi ả luận văn

Lê Văn Lễ

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan rằng:

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

ch ưa hề ñược bảo vệ một học vị nào

 Mọi sự giúp ñỡ cho quá trình thực hiện luận văn tôi ñã trân trọng cảm ơn

 Các tài liệu thông tin khai thác ñể phục vụ cho việc nghiên cứu ñề tài này tôi ñã chỉ rõ nguồn gốc tên tài liệu và tên tác giả

Tôi xin ch ịu trách nhiệm trước pháp luật về những lời cam ñoan trên

Tác gi ả luận văn

Lê Văn Lễ

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ ðƠN VỊ ðO

W2 ðộ ẩm của vật sấy sau khi ra khỏi buồng sấy %

Ik Entanpi của không khí khô kJ/kg kkk

d Lượng chứa ẩm trong không khí Kg ẩm/kg kkk

Vt Lưu lượng thể tích trung bình của buồng sấy m3/h

tmt Nhiệt ñộ môi trường bên ngoài ºC

T1 Nhiệt ñộ vật khi ñưa vào buồng sấy ºC T2 Nhiệt ñộ vật khi ñưa ra buồng sấy ºC

Q Nhiệt cung cấp trong quá trình sấy kCal

QN Công suất nhiệt của dàn nóng kJ/h

CN Nhiệt dung riêng của hơi nước kJ/kg

Ck Nhiệt dung riêng của không khí khô kJ/kg G1 Khối lượng vật sấy trước khi sấy kg G2 Khối lượng vật sấy sau khi sấy kg

α Hệ số trao ñổi nhiệt ñối lưu

DANH MỤC CÁC ðỒ THỊ VÀ HÌNH VẼ

Trang

Hình 1.1 Sơ ñồ phương pháp sấy lạnh bằng chất hấp phụ và

quá trình thay ñổi trạng thái không khí

6

Hình 1.2 Sơ ñồ phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt và

quá trình thay ñổi trạng thái không khí

7

Hình 1.3 Phạm vi hoạt ñộng của bơm nhiệt và máy lạnh 13 Hình 1.4 Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt nén hơi 14 Hình 1.5 ðồ thị ñặc tính của máy nén 17 Hình 1.6 Các dạng thiết bị phụ của bơm nhiệt 20 Hình 1.7 Sự phụ thuộc của lượng ẩm riêng vào ñộ ẩm

tương ñối và nhiệt ñộ sấy trong quá trình tách ẩm

21

Hình 1.8 Bơm nhiệt hút ẩm có hòa trộn không khí ẩm 22 Hình 1.9 Bơm nhiệt thí nghiệm ñể sấy hạt ngũ cốc 23 Hình 1.10 Buồng sấy gỗ bơm nhiệt của hãng Westair 24

Hình 1.12 Sơ công nghệ sản xuất tảo xoắn 29

Hình 2.3 Ảnh hưởng của nhiệt ñộ tác nhân sấy ñến ñộng

học quá trình sấy

37

Hình 2.4 Ảnh hưởng của ñộ ẩm tương ñối của tác nhân sấy

ñến ñông học quá trình sấy

37

Hình 2.5 Ảnh hưởng của tốc ñộ tác nhân sấy ñến quá trình

sấy

38 Hình 2.6 Sơ ñồ nguyên lý chung của thiết bị sấy bơm nhiệt 39 Hình 2.7 Chu trình tuần hoàn của tác nhân lạnh trong thiết bị 40

sấy bơm nhiệt

Hình 2.8 ðồ thị I-d biểu diễn chu trình của tác nhân sấy

trong thiết bị sấy dùng bơm nhiệt

41

Hình 2.9 Nguyên lý của thiết bị bơm nhiệt 44 Hình 3.1 Sơ ñồ cấu tạo của thiết bị sấy bơm nhiệt 47

Hình 3.4 Cấu tạo thiết bị hồi nhiệt 81

MỤC LỤC

Trang

Lời cảm ơn………

Lời cam ñoan………

Danh mục các ký hiệu………

Danh mục các bảng biểu………

Danh mục các hình vẽ………

ðặt vấn ñề………

Chương 1.Tổng quan nghiên cứu………

1.1 Các phương pháp hút ẩm………

1.1.1.Phương pháp hút ẩm bằng máy ñiều hòa………

1.1.2.Phương pháp dùng bơm nhiệt hút ẩm………

1.2.Giới thiệu các phương pháp sấy………

1.2.1.Phương pháp sấy nóng………

1.2.2.Phương pháp sấy lạnh………

1.3.Giới thiệu về bơm nhiệt………

1.3.1.Giới thiệu chung………

1.3.2.Các loại bơm nhiệt và thành phần cơ bản của bơm nhiệt 1.3.3.Ứng dụng của bơm nhiệt trong nền kinh tế quốc dân……

1.3.4.Ưu nhược ñiểm sấy bằng bơm nhiệt………

1.4.Giới thiệu về tảo xoắn………

1.4.1.ðặc ñiểm của tảo xoắn………

1.4.2.Quy trình công nghệ sản xuất tảo xoắn………

1.4.3.Tình hình sản xuất ,tiêu thụ tảo xoắn………

1.5.ðối tượng và phương pháp nghiên cứu………

Chương 2.Cơ sở lý thuyết tính toán một số thông số của công nghệ sấy bằng bơm nhiệt………

i

ii iii

v

vi

1

3

3

3

3

4

4

5

12

12

15

20

25

25

25

29

30

31

32

2.1.Các quy luật cơ bản của quá trình sấy………

2.1.1.ðường cong sấy………

2.1.2.ðường cong tốc ñộ sấy………

2.1.3.Phân tích quá trình sấy………

2.1.4.Các yếu tố ảnh hưởng ñến chế ñộ và cường ñộ sấy……

2.2.Cơ sở lý thuyết tính toán thiết bị sấy bơm nhiệt…………

2.2.1.Cơ sở lý thuyết………

2.2.2.Cơ sở lý luận ñể xây dựng sơ ñồ nguyên lý thiết bị sấy bơm nhiệt………

2.2.3.Sơ ñồ nguyên lý thiết bị sấy bơm nhiệt………

Chương 3.Tính toán thiết kế thiết bị………

3.1.Sơ ñồ cấu tạo………

3.2.Vật liệu sấy………

3.3.Tính nhiệt sấy lý thuyết………

3.4.Xác ñịnh kích thước cơ bản………

3.5.Tính toán quá trình sấy thực ………

3.6 Tính toán bơm nhiệt………

3.6.1 Tính toán chu trình lạnh………

3.6.2.Tính toán chọn máy nén………

3.6.3 Tính toán chọn thiết bị bay hơi………

3.6.4.Tính toán chọn thiết bị ngưng tụ………

3.6.5 Chọn các thiết bị ngưng tụ và bay hơi phụ (NT2 và BH2) 3.6.6.Tính toán thiết bị hồi nhiệt………

3.6.7.Tính toán trở lực và chọn quạt………

Phần kết luận và ñề nghị………

Tài liệu tham khảo………

Phần bản vẽ cơ khí………

32

32

33

34

36

39

39

42

44

47

47

48

50

54

57

64

64

66

69

74

80

80

86

91

92

94

đẶT VẤN đỀ

Nước ta là một nước có nền nông nghiệp lạc hậu, trong khi lao ựộng trong ngành nông lâm nghiệp chiếm khoảng 65% thì sản phẩm làm ra chỉ chiếm khoảng 20% tổng sản phẩm xã hội Vì vậy ựể nâng cao tổng giá tri sản phẩm nông nghiệp tương ứng với lực lượng lao ựộng cần phải nâng cao năng suất, chuyển dịch cơ cấu cây trồng sang loại có giá trị hàng hóa cao Nuôi trồng tảo xoắn sẽ tạo ra sản phẩm

có giá trị kinh tế cao

Tảo xoắn tên khoa học gọi là Spirulina là một trong những loài tảo ựược nghiên cứu nhiều nhất và cũng ựem lại rất nhiều lợi ắch cho con người trong ngành thực phẩm, dược phẩmẦ đây là một loại vi sinh vật có hình xoắn, kắch thước

khoảng 0,25 milimet sống trong nước Tảo xoắn có nguồn gốc từ Châu Phi & Bắc

Mỹ, hiện diện trên trái ựất từ 3,6 tỉ năm trước Mặc dù ựã ựược sử dụng từ rất lâu, nhưng tảo Spirulina chỉ mới ựược tái khám phá và sử dụng rộng rãi tại hơn 70 nước trên thế giới trong khoảng hơn 30 năm gần ựây và ựược các tổ chức Quốc tế như FAO/WHO công nhận và khuyên dùng Sinh khối của chúng rất giàu dinh dưỡng và

có nhiều tác dụng chữa bệnh nên ựã ựược nuôi trồng ở quy mô công nghiệp và ựược sản xuất dưới dạng viên ựể phòng chống nhiều loại bệnh tật

Cho ựến nay ở Việt Nam nhiều cơ sở nuôi trồng, sản xuất và chế biến các sản phẩm từ tảo xoắn ựã ựược thành lập với công nghệ nuôi tảo trên các bể nông xây bằng xi măng sử dụng khắ CO2 của công nghệ tạo nguồn cacbon, nguồn CO2 trực tiếp lấy từ các nhà máy bia, cồn, rượuẦnén hóa lỏng vào bình chứa đó là các cơ

sở như Vĩnh Hảo (Bình Thuận), Châu Cát, Lòng Sông (Thuận Hải), Suối Nghệ (đồng Nai), đắc Min (đắc Lắc) Nguồn CO2 từ lò nung vôi (sau khi lọc bụi) và các hầm khắ biogas cũng ựã ựược nghiên cứu tận dụng ựể phát triển nuôi trồng tảo và cũng ựã thu ựược một số kết quả Hiện nay ở nước ta sản phẩm này ựược sử dụng chủ yếu ở dạng tươi và ựông lạnh, muốn sử dụng làm nguyên liệu cho nghành dược phẩm, mỹ phẩm thì phải bảo quản chế biến

Các thiết bị sấy hiện nay có loại ựốt than trực tiếp hay gián tiếp, ựốt ựiện trực tiếp, sấy chân không, sấy thăng hoa Tất cả các loại trên hoặc cho chất lượng sản

kém về màu sắc, hượng vị hoặc có chi phí lớn Mặt khác các thiết bị này thường dùng tác nhân sấy tuần hoàn hở (dùng không khí môi trường làm tác sấy và tác nhân tải ẩm) nên chịu ảnh hưởng rất lớn của môi trường [2]

Với cấu tạo và các ñặc tính vật lý của tảo xoắn trình bày ở trên, sau thu hoạch nếu sấy tảo ở nhiệt ñộ cao có thể sẽ phá huỷ các chất hoạt tính sinh học như hoóc môn, màu, mùi vị, vitamin, prôtêin, dẫn ñến thay ñổi chất lượng sản phẩm

Vì vậy, sấy lạnh bằng nguyên lý bơm nhiệt là một phương pháp bảo quản sau thu hoạch ñáp ứng ñược những yêu cầu khắt khe về chất lượng sau khi sấy Do tác nhân sấy có ñộ ẩm thấp, nhiệt ñộ sấy thấp nên quá trình sấy hạn chế những sự thay ñổi không mong muốn

Trên thế giới bơm nhiệt trong kỹ thuật sấy ñã có cách ñây khoảng 40 năm, Thái Lan là nước nền nông nghiệp phát triển họ ñã sử dụng công nghệ sấy bơm nhiệt và sản xuất nhiều loại thiết bị sấy bơm nhiệt nhưng giá thành ñắt Ở nước ta việc nghiên cứu việc nghiên cứu chế tạo thiết bị sấy bơm nhiệt cũng ñang ñược nghiên cứu ứng dụng Chính vì vậy nên tôi quan tâm ñến việc nghiên cứu thiết bị sấy bơm nhiệt quy mô nhỏ

ðược sự hướng dẫn trực tiếp của GS.TS.Phạm Văn Thiêm, Trường ðại học Bách khoa Hà Nội và ñược sự giúp ñỡ của các thầy cô trong bộ môn Thiết bị bảo quản và chế biến nông sản, Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội tôi ñã thực hiện

ñề tài ” Nghiên cứu thiết kế thiết bị sấy tảo xoắn bằng bơm nhiệt”

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1 Các phương pháp hút ẩm

1.1.1 Phương pháp hút ẩm bằng máy ựiều hòa không khắ

Khi cho dòng không khắ tiếp xúc với bề mặt của dàn lạnh có nhiệt ựộ thấp hơn nhiệt ựộ ựọng sương của không khắ thì sẽ xảy ra quá trình ngưng tụ hơi nước trên bề mặt dàn lạnh Giúp giảm lượng ẩm của dòng không khắ, ựồng thời cùng làm cho nhiệt ựộ của dòng khắ giảm có tác dụng ựiều hòa

Dàn lạnh của máy ựiều hòa ở ựây là dàn trao ựổi nhiệt với không khắ Các dàn này có thể là dàn bay hơi với ựiều hòa cục bộ và có thể là dàn trao ựổi nhiệt làm lạnh không khắ bằng nước lạnh FCU ựối với hệ thống ựiều hòa trung tâm Water Chiller Mục ựắch chủ yếu của phương pháp này là tạo ra một môi trường vi khắ hậu phù hợp với sức khỏe con người

đây là một phương pháp hút ẩm ựơn giản, dễ lắp ựặt và bảo dưỡng Nhưng năng suất hút ẩm của phương pháp này không cao (ựộ ẩm trong phòng lớn hơn 50%) Dàn nóng của hệ thống ựiều hòa trao ựổi nhiệt với môi trường bên ngoài đây là sự lãng phắ về mặt năng lượng Nhiệt ựộ bề mặt dàn lạnh cũng bị giới hạn bởi ựiều kiện chênh nhiệt ựộ giữa ựiểm thổi vào và nhiệt ựộ trong phòng vì vậy khả năng hút ẩm của máy cũng bị giới hạn

Phương pháp này chỉ phù hợp với các phòng có người làm việc về mùa hèẦđòi hỏi khống chế ựộ ẩm trên 60%, nhiệt ựộ khoảng 24o C

1.1.2 Phương pháp dùng bơm nhiệt ựể hút ẩm

Máy hút ẩm theo nguyên lý bơm nhiệt thực chất cũng là một máy lạnh có các

bộ phận: Máy nén, dàn ngưng, dàn bay hơi và van tiết lưu Khác biệt cơ bản của máy hút ẩm là cách bố trắ dàn nóng ngay sau dàn lạnh và có quạt gió tuần hoàn không khắ

1.2 Giới thiệu các phương pháp sấy

Ở ñây sấy là quá trình làm khô một vật thể bằng phương pháp bay hơi Quá trình hóa hơi của ẩm lỏng trong vật là bay hơi nên có thể xảy ra ở bất kỳ nhiệt ñộ nào.Nó gồm hai quá trình cơ bản:

Cấp nhiệt cho vật ẩm làm cho ẩm trong vật hóa hơi

Lấy hơi ẩm ra khỏi vật và thải vào môi trường

ðể cấp nhiệt cho vật có thể dùng các phương pháp sau: dẫn nhiệt (cho vật ẩm tiếp xúc với bề mặt có nhiệt ñộ cao hơn), trao ñổi nhiệt ñối lưu (cho vật ẩm tiếp xúc với chất lỏng hay không khí có nhiệt ñộ cao hơn), trao ñổi nhiệt bức xạ (dùng các nguồn bức xạ cấp nhiệt cho vật), dùng ñiện trường cao tần ñể nung nóng vật

ðể lấy ẩm ra khỏi vật và thải vào môi trường có thể dùng nhiều biện pháp như: dùng môi chất sấy, dùng máy hút chân không, khi sấy ở nhiệt ñộ cao hơn

Nhờ ñốt nóng cả tác nhân sấy và vật liệu sấy hay chỉ ñốt nóng vật liệu sấy

mà hiệu phân áp giữa hơi nước trên bề mặt vật liệu (Pab) và phân áp của hơi nước tác nhân sấy (Pẩm) tăng dẫn ñến làm tăng quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và ñi vào môi trường

Phương pháp sấy nóng: sấy ñối lưu, sấy tiếp xúc, sấy bức xạ, sấy bằng ñiện cao tần…

1.2.1.1 Hệ thống sấy ñối lưu

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

1.2.1.2 Hệ thống sấy tiếp xúc

Trong hệ thống này, vật sấy ñược cấp nhiệt bằng dẫn nhiệt do vật liệu sấy tiếp xúc với bề mặt có nhiệt ñộ cao hơn Thiết bị sấy tiếp xúc gồm hai kiểu: thiết bị

sấy tiếp xúc với bề mặt nóng kiểu tang quay hay lô quay; thiết bị sấy tiếp xúc trong chất lỏng

1.2.1.3 Hệ thống sấy bức xạ

Vật ẩm ñược gia nhiệt bằng trao ñổi nhiệt bức xạ Nguồn bức xạ là ñèn hồng ngoại hay các bề mặt rắn có nhiệt ñộ cao hơn ñể bức xạ nhiệt tới vật ẩm Trường hợp này môi chất sấy không làm nhiêm vụ gia nhiệt cho vật ẩm Quá trình tách ẩm mạnh do hấp thụ và phẩn xạ nhiều lần

1.2.1.4 Hệ thống sấy sử dụng ñiện trường cao tần

Hệ thống sấy này sử dụng năng lượng ñiện trường xoay chiều có tần số cao

ñể làm nóng vật sấy Vật sấy ñược ñặt giữa hai bản ñiện cực nối với dòng ñiện cao tần có tần số cao làm dao ñộng các phần tử vật chất gây ma sát làm nóng vật sấy

*Ưu ñiểm của phương pháp sấy nhiệt ñộ cao:

Thời gian sấy của phương pháp này thường ngắn hơn so với phương pháp sấy lạnh

Năng suất cao và chi phí ñầu tư ban ñầu thấp

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

Thời gian làm việc của hệ thống cũng rất cao

* Nhược ñiểm của hệ thống

Các vật cần sấy không có yêu cầu gì ñặc biệt về nhiệt ñộ

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

1.2.2.Phương pháp sấy lạnh

1.2.2.1 Sấy lạnh dùng máy hút ẩm hấp phụ chuyên dụng kết hợp với máy lạnh

Phương pháp sấy này là sự kết hợp giữa máy hút ẩm dùng chất hấp phụ và máy lạnh Máy hút ẩm ñược ñặt trong buồng kín Không khí trong buồng ñược hút

ẩm nhờ máy, còn dòng không khí ngoài trời ñược làm nóng ñể hoàn nguyên chất hấp phụ sau khi ñã hút ẩm Như ñã nói ở trên về nguyên lý hoạt ñộng của máy hút

ẩm, dòng không khí sau khi ñược khử ẩm có nhiệt ñộ tương ñối cao Chính vì thế,

người ta cần thiết kế thêm một máy lạnh có tác dụng làm giảm nhiệt ñộ khí nống xuống Nhiệt ñộ dòng khí sau khi ñi qua máy lạnh có nhiệt ñộ thấp và ñộ ẩm nhỏ

Trên ñồ thị I-d (hình 1.1), ta biểu diễn trạng thái thay ñổi của không khí như sau: không khí ẩm từ ñiểm 2, ñược hút ẩm và làm nóng lên tới ñiểm 3 , Từ ñây, không khí khô ñược giảm nhiệt ñộ ñẳng dung ẩm xuống ñiểm 1 Sau ñó, không khí ñược tiếp xúc với các vật cần sấy Lượng ẩm từ trong vật ñược hấp thụ bởi dòng khí khô và trạng thái dòng khí lại chuyển về ñiểm 2 ðây là một vòng tuần hoàn của quá trình hoạt ñộng tác nhân sấy

Hình 1.1 Sơ ñồ phương pháp sấy lạnh bằng chất hấp phụ và quá trình thay ñổi trạng

thái không khí 1- Trạng thái không khí khô sau khi ñã ñược làm lạnh

2- Trạng thái không khí khi ñã nhận ẩm của vật

3- Trạng thái không khí khi ñã ñược bài ẩm bằng bánh hấp phụ

Ưu ñiểm: có khả năng hút ẩm lớn Năng suất hút ẩm cũng khá cao

Chi phí cho việc bảo dưỡng tốn kém

ðiện năng cho thiết bị lớn vì ngoài việc cần nung nóng dây ñiện trở giúp cho quá trình hoàn nguyên còn cần cung cấp cho việc chạy máy lạnh

Trong ñiều kiện làm việc nhiều bụi, thì máy cần phải có thời gian ngừng hoạt ñộng ñể làm sạch cho chất hấp phụ của máy hút ẩm

1.2.2.2 Sấy lạnh dùng bơm nhiệt nén hơi

Cũng giống như phuơng pháp dùng máy hút ẩm chuyên dụng, nhưng ở ñay người ta sử dụng máy hút ẩm kiểu bơm nhiệt nén hơi ñể khử ẩm và chuẩn bị sấy Trên ñồ thị I-d, không khí ẩm trong phòng (ñiểm 2) ñi qua giàn lạnh của máy hút

ẩm kiểu bơm nhiệt Ẩm trong không khí ñược ngưng trên giàn lạnh Dung ẩm của dòng khí giảm xuống, nhưng do nhiệt ñộ của dòng khí cũng giảm nên ñộ ẩm tương ñối của khồng khí sau khi ra khỏi dàn cũng cao (≈ 95 %) Trạng thái không khí lúc này ở diểm 3 Dòng khí tiếp tục ñược chuyển qua dàn nóng, không khí ñược làm nóng ñẳng dung ẩm lên trạng thái 1 Tại ñiểm này, nhiệt ñộ, ñộ ẩm cũng có giá trị tương ñương với phương pháp dùng máy bài ẩm hấp phụ và máy lạnh Từ ñây dòng khí khô ñược chuyển ñến các vật sấy và hấp thụ ẩm trong vật Sau khi ra khỏi buồng sấy, trạng thái dòng khí ở ñiểm 2

Hình 1.2- Sơ ñồ phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt và quá trình thay ñổi trạng

thái không khí

1- Trạng thái không khí khô sau khi ñã ñược gia nhiệt

2- Trạng thái không khí sau khi ñã hấp thụ ẩm của vật

3- Trạng thái không khí sau khi ñã qua giàn lạnh khử ẩm

* Ưu ñiểm:

Giảm ñược chi phí thiết bị, vận hành và bảo dưỡng

Năng lượng của dàn nóng và dàn lạnh ñều ñược sử dụng triệt ñể

Quá trình hoạt ñộng của thiết bị không bị gián ñoạn do không phải thay ñổi chất hấp thụ như trong phương pháp dùng máy bài ẩm

Tuổi thọ thiết bị cao Trong khoảng thời gian 10 năm, thiết bị hầu như không phải bão dưỡng lớn Chỉ cần sau một thời gian vệ sinh các dàn ñể ñảm bảo khả năng trao ñổi nhiệt tốt

ðiện năng sử dụng cũng thấp hơn nhiều so với phương pháp dùng máy hút

ẩm hấp phụ

Chất lượng và màu sắc của sản phẩm sấy giữ ñược tốt hơn

Thích hợp ñể sấy khô các vật phẩm không chịu ñược nhiệt ñộ cao

* Nhược ñiểm:

Thời gian sấy thường lâu hơn

ðể khác phục nhược ñiểm này chúng ta có thể sử dụng thiết bị sấy với tốc ñộ cao hơn

1.2.2.3 Phương pháp sấy thăng hoa

Khác với hai phương pháp trên, sấy thăng hoa thực hiện ở ñiều kiện nhiệt ñộ

và áp suất thấp hơn và ẩm trong vật sấy ở thể rắn Quá trình sấy ñược thực hiện trong buồng kín Giai ñoạn ñầu là giai ñoạn làm lạnh và hút chân không buồng sấy Nhiệt ñộ trong buồng phải thấp hơn 0,0098o C và áp suất phải dưới 610,5 N / m2

(ñây là ñiểm ba thể của nước) Vì vậy ẩm trong vật sẽ ở dưới dạng rắn, ẩm chuyển

từ thể rắn sang thể hơi không qua lỏng ðây là giai ñoạn thăng hoa Lượng ẩm thoát

ra ñến bình ngưng và ngưng lại thành lỏng sau ñó thành băng bám trên bề mặt ống giai ñoạn này nhiệt ñộ của vật không ñổi Tiếp ñó vật sấy sẽ ñược làm nóng, ẩm còn lại trong vật sẽ chuyển thành lỏng và bay hơi ra khỏi vật liệu sấy Giai ñoạn này giống như sấy các vật thể trong môi trường chân không thông thường

* Ưu ñiểm:

Sẩn phẩm sấy có chất lượng cao, không làm biến chất albumin; không xảy ra các quá trình vi sinh, giữ nguyên các vitamin như lúc còn tuơi, giữ nguyên thể tích ban ñầu của vật liệu sấy nhưng xốp hơn nên dễ hấp phụ nước ñể trở lại dạng ban ñầu

* Nhược ñiểm:

Giá thành ñắt, thiết bị phúc tạp, vốn ñầu tư lớn

ðiện năng tiêu thụ cho phương pháp này lớn, năng suất nhỏ

Các thiết bị cho buồng chân không cũng cần ñược kín Dầu bôi trơn cho các máy móc hoạt ñộng cũng là loại ñặc biệt, ñắt tiền và khó kiếm ñể thay thế, bổ sung

1.2.2.4 Phương pháp sấy chân không

Vật sấy ñược cho vào buồng kín Sau ñó hút chân không, ñể tạo ñộ chân không Nhiệt cấp cho vật liệu sấy theo phương pháp tiếp xúc hay bức xạ Ẩm trong vật ñược tách ra khỏi vật và hút thải vào môi trường Nhiệt ñộ sấy theo phương pháp này thấp Phương pháp này bị giới hạn về năng suất do thể tích thiết bị giới hạn do phải giữ ñộ chân không Chính vì vậy phuơng pháp này không ñược sử dụng phổ biến như các phương pháp sấy khác Thường ñược ứng dụng ñể sấy các vật liệu, dược liệu quý hiếm với số lượng nhỏ.[1]

1.2.2.5 So sánh phương pháp sấy bơm nhiệt nén hơi với các phương pháp sấy khác

a) So sánh với phương pháp sấy nóng

Xét về năng suất sấy, phương pháp sấy bằng bơm nhiệt nén hơi thấp hơn phương pháp sấy nóng bởi ñộ chênh phân áp (Pab-Pam) của phương pháp sấy nóng lớn hơn

Về mặt năng lượng, phương pháp sấy nóng có thể tận dụng các nguồn nhiệt khác nhau Trong khi ñó, phương pháp sấy bơm nhiệt nén hơi chỉ dùng mỗi một loại năng lượng ñó là ñiện năng trong quá trình sấy Chính vì thế giá thành năng lượng của phương pháp sấy bơm nhiệt có thể cao hơn

Thiết bị cho phương pháp sấy nóng có thể ñược gia công hay chế tạo trong nước, trong khi ñó thiết bị chính cúa bơm nhiệt là máy nén phải nhập ở nước ngoài nên giá thành chi phí ban ñầu cũng cao hơn

Về mặt chất lượng sấy, phương pháp sấy nóng làm giảm hàm lượng vitamin, biến ñổi màu sắc cũng như chất lượng sản phẩm ðặc biệt ñối với một số loại sản phẩm ñòi hỏi nhiệt ñộ sấy thấp thì phương pháp sấy nóng không ñáp ứng ñược Ngược lại, phương pháp sấy bằng bơm nhiệt nén hơi ñã giải quyết ñược vấn ñề này Chính vì vậy, tùy thuộc vào từng sản phẩm cụ thể chúng ta lựa chọn một phương pháp sấy cụ thể cho phù hợp Ngoài vấn ñề tài chính thì chất lượng sản phẩm cũng

là một nhân tố quan trọng ñể chọn lựa

b) So sánh với phương pháp sấy lạnh khác

* So với sấy thăng hoa và sấy chân không

Về mặt chất lượng sấy, phương pháp sấy thăng hoa và sấy chân không tốt hơn và ñảm bảo tốt hơn các yêu cầu ñối với sản phẩm sấy vì nhiệt ñộ sấy của cả hai phương pháp này ñều thấp hơn nhiệt ñộ môi trường và quá trình sấy giữ trong ñiều kiện chân không nên không chịu ảnh hưởng của bên ngoài Không những vậy tốc ñộ sấy của cả hai phương pháp này cũng nhanh hơn do ñộ chênh áp (Pab-Pam) lớn hơn Nhưng năng suất sấy của phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt nén hơi lớn hơn hẳn

vì thể tích buồng sấy của nó lớn hơn nhiều so với hai phương pháp kia, thể tích của buồng sấy thăng hoa và và chân không luôn bị hạn chế,vì ñể giữ ñộ chân không với buồng có thể tích lớn gặp rất nhiều khó khăn Còn bơm nhiệt có thể tiến hành trong buồng có thể tích lớn Diện tích buồng sấy có thể tới 300÷400 2

m , nên có thể tăng năng suất dễ dàng theo yêu cầu sử dụng Bên cạnh ñó, các phụ kiện cũng như dầu

mỡ bôi trơn cho thiết bị sấy thăng hoa cũng ñòi hỏi rất khắt khe ñể ñảm bảo trong môi trường chân không nên giá thành cho việc bảo dưỡng rất cao ðối với bơm nhiệt, trên thị trường Việt Nam luôn có sẵn các phụ kiện cũng như dầu bôi trơn môi chất…cho nên chi phí bảo dưỡng thấp hơn

ðiện năng tiêu thụ ñối với phương pháp sấy thăng hoa cũng cao hơn so với ñiện năng của phương pháp sấy bơm nhiệt Nên việc sử dụng phương pháp sấy

thăng hoa chỉ áp dụng cho những sản phẩm ñòi hỏi chất lượng rất cao mà phương pháp sấy bằng bơm nhiệt không thể ñáp ứng ñược

* So sánh với phương pháp sấy lạnh dùng máy hút ẩm chuyên dụng (máy bài ẩm)

Nếu xét tốc ñộ sấy, thì cả hai phương pháp ñều cho một kết quả gần giống nhau, khả năng khử ẩm của chúng tương ñương nhau Thể tích ñể sử dụng với cả hai phương pháp ñều có thể mở rộng nếu cần Chất lượng sấy ñối với cả hai phương pháp sấy cũng không khác nhau

Nhưng xét về khía cạnh kinh tế, phương pháp sấy bơm nhiệt có nhiều ưu ñiểm hơn Chi phí ban ñầu của phương án bơm nhiệt ít tiền hơn so với phương pháp

sử dụng máy bài ẩm vì phương pháp bơm nhiệt chỉ cần sử dụng mỗi máy lạnh trong khi ñó phương pháp máy bài ẩm cần không chỉ một máy hút ẩm mà còn cần cả máy lạnh ñể giảm nhiệt ñộ không khí khô xuống Hơn nữa giá thành chi phí cho hoạt ñộng cũng như việc bảo dưỡng thiết bị ñối với phương án bơm nhiệt cũng rẻ hơn do chỉ cần chi phí vệ sinh dàn ñịnh kỳ và tuổi thọ của thiết bị cũng rất cao, ñiện năng chỉ cần cấp cho mỗi máy lạnh Còn ñối với phương án sủ dụng máy bài ẩm, chi phí thay thế ñịnh kỳ chất hấp phụ, ñiện năng cho dàn nhiệt trở dể làm nóng dòng khí có nhiệm vụ hoàn nguyên lại chất hấp phụ và ñiện năng cho máy lạnh

1.2.3 Kết luận

Trong tất cả các phương pháp sấy lạnh, thì sấy lạnh có sử dụng bơm nhiệt tỏ

ra có nhiều ưu ñiểm hơn so với các phương pháp khác ðối với các sản phẩm như rau quả cần một chế ñộ sấy ôn hòa (nhiệt ñộ sấy thấp) và chất lượng sản phẩm càng gần với sản phẩm ban ñầu càng tốt lại sấy với lượng lớn thì Sấy bơm nhiệt là thích hợp nhất

Hiện nay, sấy bảo quản, giữ chất lượng rau quả lâu dài trước khi sử dụng ngày càng nhiều Chính vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ sấy bằng bơm nhiệt nén hơi là rất cần thiết với ñiều kiện khí hậu ở Việt Nam Việc nghiên cứu sâu các mặt khoa học, công nghệ của quá trình sẽ giúp cho việc thiết kế, cải tiến thiết bị, nâng cao năng suất, góp phần làm tăng chất lượng sản phẩm

1.3.Giới thiệu về bơm nhiệt

1.3.1 Giới thiệu chung

Năm 1852 Thomson (Lord kelvin) sáng chế ra bơm nhiệt ñầu tiên của thế giới[5] Song song với thành tựu phát triển của công nghiệp lạnh, bơm nhiệt có bước phát triển của riêng mình Những thành công lớn nhất của bơm nhiệt bắt ñầu

từ những năm 1940 khi hàng loạt bơm nhiệt công suất lớn ñược lắp ñặt thành công

ở nhiều nước Châu Âu ñể sưởi ấm, ñun nóng và ñiều hòa không khí

Từ khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào ñầu thập kỷ 70, bơm nhiệt lại càng khẳng ñịnh vai trò quan trọng của mình Hàng loạt bơm nhiệt với những ứng dụng khác nhau ñược nghiên cứu chế tạo và ñưa vào sử dụng ở nhiều nước trên thế giới

Nguyên lý làm việc:

Bơm nhiệt là một thiết bị dùng ñể bơm một dòng nhiệt từ mức nhiệt ñộ thấp lên mức nhiệt ñộ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt ðể duy trì bơm nhiệt hoạt ñộng cần tiêu tốn một dòng năng lượng khác (ñiện năng hoặc nhiệt năng) Như vậy máy lạnh cũng là một loại bơm nhiệt và cũng có chung một nguyên lý hoạt ñộng Người ta chỉ phân biệt máy lạnh với bơm nhiệt ở mục ñích sử dụng mà thôi Máy lạnh gắn với việc sử dụng nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi, còn bơm nhiệt gắn với việc

sử dụng nguồn nhiệt ở thiết bị ngưng tụ Do yêu cầu sử dụng nguồn nhiệt lên bơm nhiệt hoạt ñộng ở cấp nhiệt ñộ cao hơn Trong trường hợp sử dụng cả 2 chiều có thể tạo nên dòng tác nhân sấy là không khí tuần hoàn kín thực hiện 2 quá trình trao ñổi nhiệt: Nguồn lạnh ở thiết bi bay hơi dùng ñể tách ẩm và nguồn nóng ở thiết bị ngưng tụ dùng ñể tăng nhiệt ñộ tác nhân sấy tức giảm ñộ ẩm tương ñối của tác nhân sấy và tạo ñộng lực cho quá trình sấy

Như vậy bơm nhiệt có thể ứng dụng ở rất nhiều lĩnh vực có nhu cầu năng lượng ở nhiệt ñộ thấp khoảng 40 0C ÷ 800C hoặc có thể cao ñến 1150C÷ 1200C[7] Nếu như nhu cầu về nóng và lạnh tương ñối ăn khớp nhau thì hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt lại càng lớn

Khi sử dụng bơm nhiệt cần chú ý hiệu quả kinh tế của nó biểu hiện qua hệ số bơm nhiệt ϕ Hệ số nhiệt ϕ của bơm nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào hiệu nhiệt ñộ của dàn ngưng và dàn bay hơi như dã trình bày ở trên Một ñiều kiện nữa của bơm nhiệt ñạt hiệu quả là nhu cầu về nóng và lạnh phải liên tục và ổn ñịnh ñể thời gian hoàn vốn là thấp nhất

Hình 1.3-Phạm vi hoạt ñộng của bơm nhiệt và máy lạnh a) Máy lạnh To<Ta, Tk=Ta

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

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

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

To- Nhiệt ñộ bay hơi

Tk- Nhiệt ñộ ngưng tụ

Ta- Nhiệt ñộ môi trường

qo- Nhiệt lượng lấy từ môi trường

qk- Nhiệt lượng thải ra từ thiết bị ngưng tụ

Cũng như máy lạnh, bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngược (Hình 2.2) với các quá trình chính như sau:

1-2: Quá trình nén hơi môi chất từ áp suất thấp, nhiệt ñộ thấp lên áp suất cao nhiệt

ñộ cao trong máy nén hơi Quá trình nén là ñoạn nhiệt

2-3: Quá trình ngưng tụ ñẳng áp trong thiết bị ngưng tụ, thải nhiệt cho môi trường 3-4: Quá trình tiết lưu có entanpi i3=i4 của môi chất lỏng qua van tiết lưu từ áp suất cao xuống áp suất thấp

4-1: Quá trình bay hơi ñẳng áp ở nhiệt ñộ và áp suất thấp, thu nhiệt của môi trường lạnh

Hình 1.4- Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt nén hơi a) Sơ ñồ thiết bị; b) Sơ ñồ dòng năng lượng MN- Máy nén; NT- Thiết bị ngưng tụ; TL- Van tiết lưu

BH- Thiết bị bay hơi; l- Công tiêu tốn cho máy nén

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

qk- Nhiệt lượng thải ra ở dàn ngưng tụ

Mục ñích sử dụng là lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ

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

qk=qo+l kJ/kg

Hệ số nhiệt của bơm nhiệt là:

Nếu sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp thì hiệu quả kinh tế còn cao hơn nữa vì chỉ cần tiêu tốn một dòng năng lượng l là ta thu ñược cả năng suất lạnh qo và năng suất nhiệt qk như mong muốn Gọi ϕεlà hệ số nhiệt lạnh của bơm nhiệt thì:

1

2 +

= +

1.3.2.Các loại bơm nhiệt và thành phần cơ bản của bơm nhiệt

1.3.2.1.Các loại bơm nhiệt

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

Ngoài bơm nhiệt nén hơi, giống như máy lạnh, người ta chế tạo hầu như ñủ các loại bơm nhiệt làm theo các nguyên lý khác nhau: như bơm nhiệt hấp thụ, bơm nhiệt nén khí, bơm nhiệt nhiệt ñiện…Nhìn chung hiện nay tất cả các loại bơm nhiệt trên ñều ñược sử dụng nhưng bơm nhiệt nén hơi ñược sử dụng rộng rãi nhất Bơm nhiệt hấp thụ cũng ñược chú ý bởi vì ngoài qk người ta còn sử dụng ñược cả nhiệt từ bình hấp thụ qa là nguồn nóng

Ngoài ra bốn loại bơm nhiệt nói trên còn ñược ghép nối với nhau nhằm những hiệu quả nhất ñịnh Ví dụ bơm nhiệt hấp thụ-nén hơi nhằm mục ñích tăng thêm nhiệt ñộ ngưng tụ, qua ñó tăng nhiệt ñộ chất tải nhiệt Nguyên lý hoạt ñộng chủ yếu như máy lạnh hấp thu nhưng giữa bình sinh hơi và dàn ngưng, người ta lắp thêm một máy nén, hút hơi từ bình sinh hơi và nén vào dàn ngưng Áp suất ngưng

tụ cao lên ñưa nhiệt ñộ ngưng cao lên theo và hệ số nhiệt của nó tăng lên ñáng kể

1.3.2.2 Môi chất và cặp môi chất

Môi chất và cặp môi chất của bơm nhiệt có yêu cầu giống như ñối với máy lạnh Một vài yêu cầu ñặc biệt hơn xuất phát từ nhiệt ñộ sôi và nhiệt ñộ ngưng tụ cao hơn, gần giống như chế ñộ nhiệt ñộ cao như ñiều hòa không khí, nghĩa là cho ñến nay người ta vẫn sử dụng các loại môi chất như: R12, R22, R502 Môi chất amoniac cũng ñược sử dụng với nhiệt ñộ ngưng tụ thấp

Gần ñây, người ta ñặc biệt chú ý nhiều ñến việc sử dụng các môi chất mới cho bơm nhiệt nhằm nâng cao nhiệt ñộ giàn ngưng như: R21, R113, R114, R12B1, RC308 và R142

Nhiệt ñộ chất tải nhiệt phụ thuộc vào nhiệt ñộ ngưng tụ của mỗi loại môi chất Nhiệt ñộ ngưng tụ trong máy lạnh thay ñổi tương ứng với áp suất ngưng của môi chất

Ví dụ: Ở áp suất 2,35 Mpa thì nhiệt ñộ ngưng tụ của R12 tương ứng với 70o C, còn ñối với R22 nhiệt ñộ ngưng tụ khoảng 50o C

Môi chất R11 chỉ thích hợp cho máy nén tuabin với năng suất thể tích thấp Nhưng R11 có ưu ñiểm là nhiệt ñộ ngưng tụ ñạt tới 120o C

ðối với bơm nhiệt hấp thụ, người ta vẫn sử dụng chủ yếu hai cặp môi chất là

NH3/H2O và H2O/BrLi ðối với ñiều kiện việt nam máy lạnh H2O/BrLi chắc chắn

có nhiều ý nghĩa vì nó phù hợp với ñiều kiện nhiệt ñới

1.3.2.3 Máy nén lạnh

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

So sánh với máy nén lạnh, máy nén dùng cho bơm nhiệt ñòi hỏi cao hơn, ñặc biệt là các yêu cầu sau ñây

Nhiệt ñộ ngưng tụ ñến khoảng 60÷80o C, nên áp suất ngưng tụ thường có giá trị lớn ñòi hỏi máy nén phải có tỉ số nén ñủ lớn và có giá trị áp suất ñầu ñẩy cho phép phù hợp

Nhiệt ñộ cuối quá trình nén cũng cao hơn 100÷130o C như vậy, nhiệt ñộ dầu vào cũng phải cao tương ứng

Hiệu suất cao với các ñiều kiện của bơm nhiệt

An toàn cao khi tải thay ñổi

ðiều chỉnh công suất cao ñược mà không có tổn hao

Ít tiếng ồn

Như vậy một máy nén bơm nhiệt cần phải ñặc biệt chắc chắn, tuổi thọ cao và chạy êm, cần phải có hiệu suất cao trong trường hợp ít và ñủ tải

Hình 1.5 ðồ thị ñặc tính của máy nén Những yêu cầu ñó cũng thỏa mãn ñược phần nào khi chọn máy nén lạnh dùng cho bơm nhiệt Nói chung ñể nâng cao hiệu quả bơm nhiệt, người ta còn cần tính toán cả các thành phần khác nữa như môi chất và các thiết bị trao ñổi nhiệt cũng như cách lắp ñặt và bố trí Nhưng trong thực tế nếu như số lượng sản xuất quá

ít thì thay ñổi công nghệ sản xuất là không kinh tế Bởi vậy người ta vẫn chọn máy

nén cho bơm nhiệt trong các loạt máy nén lạnh ñược sản xuất nhưng có chú ý ñến các yêu cầu ñặc biệt của bơm nhiệt ñể hiệu suất bơm nhiệt ñược ñảm bảo ðặc tính của máy nén có thể ñược biểu diễn dưới dạng ñồ thị ở (Hình 1.5) Trên ñồ thị biểu diễn các ñường giới hạn như ñường giới hạn tk = to, Po max, Po min, Pk max, nhiệt

ñộ ñộng cơ tối ña tðC max, nhiệt ñộ dầu bôi trơn tối ña tD max, và ñường giới hạn khi máy nén có hệ số cấp là tối thiểu λmin

Dựa vào ñặc tính ñồ thị này, ta có thể xem xét các ñiều kiện bơm nhiệt phù hợp hay không với máy nén ñã chọn

1.3.2.4 Các thiết bị trao ñổi nhiệt

Các thiết bị trao ñổi nhiệt cơ bản trong bơm nhiệt là thiết bị bay hơi và ngưng tụ Máy lạnh hấp thụ có thêm thiết bị sinh hơi và hấp thụ Giống như máy lạnh, thiết bị ngưng tụ và bay hơi của bơm nhiệt cũng có ñầy ñủ các dạng ống: Ống chùm, ống lồng ống ngược dòng, ống xoắn, ống ñứng và kiểu tấm

Mục ñích của bơm nhiệt chủ yếu là cấp nhiệt thu ñược từ dàn ngưng, có thể kết hợp cấp lạnh thu ñược ở dàn bay hơi, nên kèm theo công suất nhiệt, công suất lạnh, các chế ñộ nhiệt ñộ Bao giờ người ta cũng cho biết dạng chất tải nhiệt và tải lạnh là nước và không khí

1.3.2.5 Các thiết bị phụ của bơm nhiệt

Tất cả các thiết bị phụ của bơm nhiệt giống như thiết bị phụ của máy lạnh Cũng xuất phát từ yêu cầu nhiệt ñộ cao hơn nên ñòi hỏi về công nghệ gia công, ñộ tin cậy thiết bị cao hơn

Ví dụ:ðường ống, van phải chịu áp lực và nhiệt ñộ cao hơn so với máy lạnh nghĩa là áp suất dàn ngưng nhiều khi ñạt trên 2Mpa và nhiệt ñộ ñến hoặc hơn100o C ðây cũng là vấn ñề ñặt ra ñối với dầu bôi trơn, ñệm kín các loại hệ thống

Do bơm nhiệt phải hoạt ñộng ở chế ñộ áp suất và nhiệt ñộ gần với giới hạn tối ña nên các thiết bị tự ñộng rất cần thiếtvà phải hoạt ñộng với ñộ tin cậy cao ñể ñề phòng hư hỏng thiết bị khi chế ñộ làm việc vượt quá giới hạn cho phép

ðối với van tiết lưu, bơm nhiệt có chế ñộ làm việc khác với máy lạnh nên cũng cần có van tiết lưu phù hợp Với nhiệt ñộ bay hơi trên +20o C và ñặc biệt với các loại môi chất lạnh việc tìm kiếm ñược tương ñối khó khăn Như vậy trong hoàn cảnh Việt Nam, ta chỉ có thể xây dựng các thiết bị thí nghiệm về bơm nhiệt ứng với các loại môi chất thông dụng R12, R22, R502 và với nhiệt ñộ sôi cao nhất là

C

o

20

1.3.2.6 Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt

Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt là những thiết bị hỗ trợ cho bơm nhiệt phù hợp với từng phương án sử dụng của nó Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt gồm một

số loại sau:

-Các phương án ñộng lực của máy nén như: ðộng cơ ñiện, ñộng cơ gaz, ñộng cơ diesel và ñộng cơ gió…

-Các phương án sử dụng nhiệt thu ñược từ dàn ngưng tụ: Nếu là sưởi ẩm thì

có thể sử dụng dàn ngưng trực tiếp hoặc gián tiếp qua một vòng tuần hoàn chất tải nhiệt, có thể sử dụng ñể nấu ăn, sưởi ấm, hút ẩm…Mỗi phương án ñòi hỏi những thiết bị hỗ trợ khác nhau

-Các phương án cấp nhiệt cho dàn bay hơi: Trường hợp sử dụng ñồng thời với nóng thì phía dàn bay hơi có thể là buồng lạnh hoặc chất tải lạnh Ngoài ra có thể sủ dụng dàn bay hơi ñặt ngoài không khí, dàn bay hơi sử dụng nước giếng là môi chất cấp nhiệt Còn có những phương án như dàn bay hơi ñặt dưới nước, ñặt ở dưới ñất hay sử dụng năng lượng mặt trời Hầu hết những thiết bị ñó về mặt cấu trúc, hình dáng, tính toán ñều khác biệt so với thiết bị bay hơi của máy lạnh

-Các thiết bị ñiều khiển, kiểm tra tự ñộng sự hoạt ñộng của bơm nhiệt và các thiết bị hỗ trợ: ðây là những thiết bị tự ñộng ñiều khiển các thiết bị phụ trợ ngoài bơm nhiệt ñể phù hợp với hoạt ñộng của bơm nhiệt

Hình 1.6 Các dạng thiết bị phụ của bơm nhiệt

1.3.3 Ứng dụng của bơm nhiệt trong nền kinh tế quốc dân

Bơm nhiệt có thể ñược ứng dụng ở tất cả cơ sở có nhu cầu năng lượng ở nhiệt ñộ thấp khoảng 40 ÷ 80o C hoặc có thể ñến115 ÷ 120o C Nếu nhu cầu nóng lạnh tương ñối khớp nhau thì hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt lại càng lớn

Khi sử dụng bơm nhiệt cần chú ý ñến hiệu quả kinh tế biểu hiện qua hệ số ϕ Hệ số

ϕ của bơm nhiệt phụ thuộc rất nhiều vào hiệu nhiệt ñộ của dàn ngưng và dàn bay hơi: ∆T = (T k −T o) < 60K

Nói chung bơm nhiệt có thể ñược ứng dụng trong các nghành kinh tế sử dụng các nguồn nhiệt ñộ thấp như:

 Công nghệ sấy và hút ẩm

 Các quá trình thu hồi thải nhiệt

 Công nghiệp chưng cất, tách chất

 Công nghiệp thực phẩm chủ yếu ñể tẩy rửa, tiệt trùng

 Công nghiệp vải sợi, gỗ, bột và giấy

 Tẩy rửa, mạ kim loại sơn trong kỹ thuật ñiện và chế tạo máy

 Công nghiệp hóa học như bay hơi, cô ñặc.v v…

 ðiều tiết không khí tiện nghi công nghiệp, các công trình công cộng

Hình 1.7 Sự phụ thuộc của lượng ẩm riêng vào ñộ ẩm tương ñối và nhiệt ñộ sấy

trong quá trình tách ẩm Như ñã giới thiệu ở phần trên về cấu tạo do có sự bố trí ñặc biệt nên bơm nhiệt có thể sử dụng trong việc hút ẩm Nhưng máy hút ẩm như vậy có thể ñược ñặt

ở những nơi cần thiết như phòng ở, thư viện, buồng phơi quần áo, buồng bảo quản các sản phẩm quang học…ðối với nước ta, một ñất nước nóng và ẩm, nấm mốc và các vi sinh vật phát triển rất nhanh làm hư hỏng và làm giảm chất lượng hầu hết các mặt hàng công, nông, lâm, ngư nghiệp ñặc biệt là các mặt hàng xuất khẩu gây tổn thất về mặt kinh tế không nhỏ Nếu ứng dụng bơm nhiệt vào công nghệ sấy và hút

ẩm chắc chắn sẽ mang lại ý nghĩa kinh tế to lớn

Năng suất của một máy hút ẩm thường ñược tính bằng khối lượng của ẩm tách ra trong 1 giờ với ñơn vị kg/h

ðể ñánh giá hiệu quả của máy hút ẩm, người ta sử dụng lượng ẩm riêng Lượng ẩm riêng là khối lượng ẩm ñược tách ra khi tiêu tốn một ñơn vị năng lượng kwh Lượng ẩm riêng phụ thuộc vào nhiệt ñộ sấy và ñộ ẩm tương ñối của không khí

buồng sấy và vào chính các thiết bị của máy hút ẩm (xem hình 1.7) theo biểu ñồ, nhiệt ñộ sấy càng cao hiệu sấy càng lớn ðộ ẩm càng cao, lượng ẩm riêng càng lớn

Ở trên ñồ thị, người ta chưa ñề cập ñến hiệu nhiệt ñộ giàn ngưng và giàn bay hơi trong bơm nhiệt hút ẩm ðể tách ñược nhiều ẩm ra khỏi không khí, người ta cố gắng sử dụng công suất lạnh càng nhiều càng tốt, ñể ngưng tụ hơi ẩm trong không khí Một phần công suất lạnh cần thiết phải tiêu tốn ñể hạ nhiệt ñộ không khí xuống dưới nhiệt ñộ ñọng sương Công suất ngưng tụ hơi ẩm lớn hay bé tùy thuộc vào nhiệt ñộ bay hơi và nhiệt ñộ ngưng tụ của môi chất Hiệu nhiệt ñộ càng nhỏ công suất lạnh càng lớn Chính vì lý do ñó người ta tìm cách giảm hiệu nhiệt ñộ ñến mức tối thiểu

Hình 1.8 giới thiệu một máy hút ẩm có hòa trộn không khí ẩm cho qua dàn lạnh ñể giảm hiệu nhiệt ñộ ngưng tụ bay hơi

Hình 1.8 Bơm nhiệt hút ẩm có hòa trộn không khí ẩm 1- Máy nén; 2- Dàn ngưng; 3-Van tiết lưu; 4- Dàn bay hơi

a) Ứng dụng sấy nông sản

Hình 1.9 Bơm nhiệt thí nghiệm ñể sấy hạt ngũ cốc A- ðộng cơ; B- Máy nén; C- Dàn ngưng; D- Dàn bay hơi;

E- Quạt gió; F- ðộng cơ quạt gió; G- Máng ống nước lạnh;

1-3 Bộ cặp nhiệt ñể lấy giá trị trung bình; 2-4 Bộ cặp nhiệt (lấy giá trị trung bình);

3 Bộ cặp nhiệt khô và ướt; 4- Ẩm kế; 5- Bộ cặp nhiệt; 6- 4 Bộ cặp nhiệt ñộ lấy (giá trị trung bình); 7- Bộ cặp nhiệt ñộ ướt và khô; 8- Bộ ño tốc ñộ gió tuần hoàn;

Vào năm 1950, ở Mỹ người ta ñã xây dựng một thí nghiệm sấy nông sản bằng bơm nhiệt Nhiệt ñộ buồng sấy, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi…Cũng như ñộ ẩm không khí ñược giám sát và không khí ñược khống chế chặt chẽ Buồng sấy thí nghiệm ñược mô tả trên hình 2.8 Buồng sấy rộng1,3 2

m ñể chứa hạt nông sản Bơm nhiệt có công suất máy nén là 570 W, môi chất lạnh R12 Quạt gió ly tâm công suất 380 W ñể tuần hoàn gió Mạng ống nước G ñược lắp ñặt ñể ñiều chỉnh nhiệt ñộ sấy Quá trình sấy kết thúc khi hạt ngũ cốc ñạt ñộ ẩm khảng 12% Nhiệt ñộ sấy từ 43 ÷ 54o C; Tốc ñộ gió từ 550 2000m3 /h

43 và 0,27 kwh/kg ẩm ở nhiệt ñộ sấy54o C Nếu so sánh với ñồ thị trên hình 2.6

ta thấy hiệu số nhiệt ñộ cao tuy nhiệt ñộ ngưng tụ tương ñối thấp Nếu so sánh với những bơm nhiệt sấy và hút ẩm ngày nay thì hệ số nhiệt ñộ của nó cũng vào loại cao Kết luận công trình nghiên cứu, tác giả ñưa ra rất nhiều ưu ñiểm nhưng nhược ñiểm vốn ñầu tư rất cao

Hình 1.10 Buồng sấy gỗ bơm nhiệt của hãng Westair Một trong những ứng dụng ñầu tiên của bơm nhiệt vào công nghiệp sấy trên phạm vi thương mại là sử dụng bơm nhiệt ñể sấy gỗ Nhiệt ñộ và ñộ ẩm là những thông số rất quan trọng ñảm bảo chất lượng gỗ sấy Hãng Westair ñã nghiên cứu và sản xuất bơm nhiệt cho mục ñích này.Các công trình nghiên cứu ñược tiến hành hàng chục năm với hàng chục ngàn bộ thiết bị lắp ñặt trên toàn thế giới Một kiểu lắp ñặt ñặc biệt của bơm nhiệt Westair ñược mô tả trên hình vẽ Bơm nhiệt là một khối hoàn chỉnh, có vỏ bao che và các ñường hướng gió vào ra qua máy Toàn bộ bơm nhiệt ñược ñặt trên giá có bánh xe do ñó có thể di chuyển vị trí của nó một cách dễ dàng Hình1.10 mô tả cấu tạo bên trong của bơm nhiệt và sự biến ñổi trạng thái không khí qua bơm nhiệt Không khí trong buồng sấy có nhiệt ñộ 45o C, ñộ ẩm tương ñối là 75% Khi qua dàn bay hơi nhiệt ñộ hạ xuống 25o C và ñộ ẩm tăng lên 100% Một phần ẩm ngưng tụ chảy xuống khay và theo ñường ra ngoài Sau ñó, không khí ñi qua dàn ngưng tụ, nhiệt ñộ tăng lên 48o C và ñộ ẩm giảm xuống

%

55

=

ϕ , qua quạt và máy nén t=49o C và ϕ =52%

Tổ hợp bơm nhiệt Westair bao gồm một bộ cảm biến nhiệt và cảm ẩm, chúng

có nhiệm vụ giám sát, ñóng mở các vòng tuần hoàn lạnh và ñốt nóng phù hợp với từng trường hợp cụ thể của gỗ sấy trong hầm Sự kiểm tra có tính chất chu kỳ từ lúc

gỗ ướt ñến lúc gỗ khô Bơm nhiệt ñược trang bị cả thiết bị ñiều chỉnh cho từng loại

gỗ ñặc biệt Chế ñộ vận hành tối ưu ñược theo dõi bằng ẩm kế và bộ phận ghi nhiệt

ẩm ðộ ẩm của gỗ cũng có thể xác ñịnh bằng các mẫu thử Khi ñạt ñược thông số

yêu cầu của gỗ (chủ yếu là ựộ ẩm) thì ựiều kiện cân bằng sẽ tác ựộng vào các cơ cấu kiểm tra giám sát trước khi ựưa gỗ ra khỏi buồng sấy

 Năng suất buồng sấy phụ thuộc vào:

 Loại gỗ cần sấy

 độ ẩm ựầu và cuối quá trình sấy

 Số lượng gỗ và kắch thước hình học của gỗ

Sử dụng bơm nhiệt có thể hạ thấp giá thành sấy, chất lượng gỗ ựược ựảm bảo tốt hơn nhiều so với các phương pháp cổ ựiển Một ưu ựiểm khác của phương pháp sấy

gỗ là có thể ựánh giá chắnh xác ựộ khô của gỗ qua lượng nước ngưng thu ựược từ giàn bay hơi ở bình ựo lượng nước ngưng

1.3.4.Ưu nhược ựiểm của sấy bằng bơm nhiệt

- Môi chất sử dung không có lợi cho môi trường

- đòi hỏi phải bảo dưỡng thiết bị thường xuyên và nạp môi chất lạnh

- Chi phắ ựầu tư cao hơn so với một số phương pháp sấy thông thường khác

1.4.Giới thiệu về tảo xoắn

1.4.1.đặc ựiểm của tảo xoắn

đây là một loại vi sinh vật sống trong nước mà người ta quen gọi là Tảo xoắn với tên khoa học là Spirulina platensis Spirulina thuộc Vi khuẩn lam (Cyanobacteria), chúng thuộc nhóm Sinh vật có nhân sơ hay nhân nguyên thủy (Prokaryotes) Những nghiên cứu mới nhất lại cho biết chúng cũng không phải

thuộc chi Spirulina mà lại là thuộc chi Arthrospira Tên khoa học hiện nay của loài này là Arthrospira platensis, thuộc bộ Oscilatoriales, họ Cyanobacteria

Tảo Spirulina (Spirulina platensis) là một loài vi tảo có dạng xoắn hình lò xo, mầu xanh lam với kắch thước chỉ khoảng 0,25mm Chúng sống trong môi trường nước giàu bicarbonat (HCO3) và ựộ kiềm cao (pH từ 8,5 - 11) Năm 1964, Brandily

- một nhà nhân chủng học người Pháp là người ựầu tiên phát hiện ra loài tảo này trong lần khảo sát sự ựa dạng sinh học tại vùng hồ ở Tchad (Châu Phi) sau khi quan sát và nhận thấy những người dân sống quanh vùng hồ này rất khoẻ mạnh vì họ thường vớt loại tảo này về ăn như là một loại thực phẩm chắnh

Hai mươi năm sau, vào những năm cuối thập kỷ tám mươi thế kỷ 20 - nhiều giá trị dinh dưỡng và chức năng sinh học của tảo Spirulina ựã ựược khám phá và công bố rộng rãi không chỉ ở Pháp mà ở cả nhiều nước khác trên thế giới như Mỹ, Nhật, Canada, Mêhicô, đài LoanẦ

Hầu hết các nghiên cứu ựều ựã chỉ ra rằng tảo Spirulina rất giàu prôtêin (tới 60-70% trọng lượng khô của tảo) trong khi thịt bò loại I chỉ có 21%, thịt gà ta 20,3%, thịt lợn nạc 19%, thịt chó sấn 16% Chỉ số hóa học (chemical score - C.S) của protein của tảo cũng rất cao trong ựó các loại acid amin chủ yếu như leucin,

Hình 1.11 Thành phần của tảo xoắn

Protein Amino acide 65%

isoleucin, valin, lysin, methionin và tryptophan ñều có mặt với tỷ lệ vượt trội so với chuẩn của Tổ chức lương nông quốc tế (F.A.O) quy ñịnh Hệ số tiêu hóa và hệ số sử dụng prôtêin (net protein utilization - N.P.U) rất cao (80-85% prôtêin của tảo ñược hấp thu sau 18 giờ)

Trong 100g bột tảo chứa tới 1g (1%) acid gama linolenic (tiền thân của chất prostaglandin, có tác dụng cùng với vitamin E chống vữa xơ ñộng mạch, ñiều hòa huyết áp, bảo vệ gan và các tế bào thần kinh

Spirulina có các loại vitamin nhóm B, hàm lượng vitamin B12 cao gấp 2 lần trong gan bò Caroten cao gấp 10 lần trong củ cà rốt Sắc tố tạo cho tảo có mầu xanh lam (phycoyanin), các nguyên tố vi lượng như K, Mg, Fe, Mn, Zn cũng rất cao

có lợi cho hoạt ñộng của hệ thần kinh và tim mạch, chống lão hóa ngăn ngừa bệnh ung thư và kích thích sự ñáp ứng miễn dịch của cơ thể ñối với các tác nhân có hại từ bên ngoài ðặc biệt - kẽm (Zn) và các acid amin: tryptophan, arginin có trong tảo giúp tăng cường khả năng hoạt ñộng tình dục, tăng cảm giác hưng phấn tình dục ở nam giới (những người thiếu arginin có thể mắc chứng bất lực hoặc vô sinh)

T¶o gièng N−íc kho¸ng

(giÕng khoan) BÓ hãa chÊt bæ sung

Nh©n gièng Xö lý

Hå nu«i

SÊy kh«

T¶o d¹ng −ít, 35% n−íc

KiÓm so¸t

ChiÕt xuÊt

Thùc phÈm

Hình 1.12.Sơ ñồ công nghệ sản xuất tảo xoắn

Quá trình sản xuất tảo có ba bước chắnh là chuẩn bị nguyên liệu, nuôi cấy và thu hoạch

Nguyên liệu ban ựầu ựể sản xuất tảo bao gồm: giống, ánh sáng, nguồn nước, dinh dưỡng, và sục khắ CO2

Tảo khi ựã ựạt ựược yêu cầu về nguồn dinh dưỡng và kắch thước sẽ ựược tiến hành hút lên và ựưa vào máy lọc và ép ựể tách nước, khi lọc nước sẽ ựược tách ra và ựưa trở lại bể nuôi cấy, sau khi ép lượng nước trong tảo cũng còn khoảng 35% nên tảo rất dễ bị lên men và hỏng vì vậy người ta phải tiếp tục sấy khô và trộn bánh tảo với một lượng ngũ cốc khô, chưa chế biến như lúa mì, ngô, thóc, hạt kê, lúa mạch hoặc yến mạch ựể ựộ ẩm chỉ còn 3-7% ngoài ra còn nhằm tạo thêm hương vị khi bảo quản cũng như tinh chế

Từ ựó sản phẩm ựưa qua thêm các giai ựoạn chế biến ựể làm thực phẩm, dược phẩm hay là trong sản xuất mỹ phẩm

Như vậy ựể tảo xoắn làm nguyên liệu cho nghành dược thì phải tiến hành sấy khô và bảo quản

1.4.3.Tình hình sản xuất, tiêu thụ tảo xoắn

Với những ựặc tắnh ưu việt, những thành tựu về công nghệ nuôi trồng và sử dụng tảo ựang ngày càng phát triển mạnh ở nhiều nước trên thế giới, nhất là những nước công nghiệp phát triển, ựưa vào nuôi trồng công nghiệp và sử dụng rộng rãi dưới nhiều dạng chế phẩm khác nhau với sản lượng hàng trăm tấn/nước/một năm, ựứng ựầu là các nước Mêhicô, Mỹ, Nhật, đài Loan, Ấn độ, Thái LanẦ

Tảo Spirulina ựược giáo sư Ripley D.Fox - nhà nghiên cứu về tảo và các chế phẩm của nó tại "Hiệp hội chống suy dinh dưỡng bằng các sản phẩm từ tảo" (A.C.M.A) tại Pháp ựưa vào Việt Nam từ 1985 Trong những năm 1985-1995 ựã có những nghiên cứu thuộc lĩnh vực công nghệ sinh học cấp nhà nước như nghiên cứu của GS.TS Nguyễn Hữu Thước và cộng sự (Viện Công nghệ Sinh học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Việt Nam) với ựề tài "Công nghiệp nuôi trồng và sử dụng tảo Spirulina" Hay ựề tài cấp thành phố của bác sĩ Nguyễn Thị Kim Hưng (TP Hồ