Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm mô hình sấy hành lá bằng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt

TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm mô hình sấy hành lá ằng n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt” NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu tính toán, thiết kế chế tạo đ

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP HCM

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Trung Thành

Luận v n thạc s được ảo vệ tại Hội đồng chấm ảo vệ Luận v n thạc s Trường Đại học Công nghiệp TP HCM ngày 21 tháng 11 n m 2020

Thành phần Hội đồng đánh giá luận v n thạc s gồm:

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Trần Tiến Dũng MSHV: 1700531

Ngày, tháng, n m sinh: 10/09/1994 Nơi sinh: Đ kL k

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Khí Mã chuyên ngành: 60.520103

I TÊN ĐỀ TÀI:

“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm mô hình sấy hành lá ằng n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt”

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Nghiên cứu tính toán, thiết kế chế tạo được một mô hình sấy n ng lượng mặt trời

kết hợp ơm nhiệt để sấy hành lá

- Xây dựng được chế độ sấy hành lá ằng n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt

- Đưa ra đươc chi phí tiêu thu điện n ng riêng về sấy có kết hợp n ng lượng mặt trời

và ơm nhiệt

II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 758/QĐ-ĐHCN ngày 05/04/2019

III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/11/2020

IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Bùi Trung Thành

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2020

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận v n này ngoài sự cố gắng của ản thân, tác giả đã được sự giúp

đỡ rất lớn về tinh thần và chuyên môn của ạn è, các Thầy Cô Chính vì vậy tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành đến:

Thầy PGS.TS Bùi Trung Thành, Giảng viên cao cấp, khoa Công nghệ Nhiệt - Lạnh -Trường Đại học Công nghiệp TP HCM người đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận v n này

Các Thầy, Cô khoa Nhiệt – Lạnh Trường Đại học Công Nghiệp TP HCM đã nhiệt tình giúp đỡ góp ý về mặt chuyên môn, hỗ trợ về dụng cụ thí nghiêm cho tác giả trong quá trình thực hiện luận v n này

Thầy TS Đặng Hoàng Minh cùng các thầy cô phụ trách giảng dạy Sau Đại học Khoa Cơ khí đã nhiệt tình giảng dạy cho tác giả những kiến thức ổ ích trong suốt quá trình học tập tại trường

Tác giả cũng xin gửi lời cảm ơn tới các ạn lớp cao học Kỹ thuật Cơ khí khóa 2017

đã đồng hành, chia sẻ thông tin trong quá trình học tập

độ sấy hợp lý, chi phí tiêu thụ điện n ng riêng của phương pháp sấy n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt

Mô hình sấy hành lá ằng n ng mặt trời kết hợp ơm nhiệt được chế tạo ao gồm một bộ thu gia nhiệt không khí có diện tích 1m2 với kết cấu tấm thu dạng rãnh V Một bộ thu gia nhiệt nước nóng diện tích 1,5m2 với kết cấu ống thu là dạng uốn cong và tấm đan xen với tổng chiều dài ống 15,4m Một ơm nhiệt có công suất 1HP Một dàn trao đổi nhiệt – khí sử dụng để làm nóng không khí bằng nước nóng

có kích thước 0,21m x 0,33m x 0,1m với kết cấu là ống nhôm và cánh tản nhiệt Buồng sấy có kết cấu là khung sắt bọc tole xung quanh và lớp cách nhiệt có độ dày 25mm Một quạt hút ly tâm có công suất 0,37kW Bình tích trữ nước nóng thể tích

50 lít bằng nhựa và được bọc cách nhiệt dày 15mm Máy ơm nước tuần hoàn cho

hệ thống gia nhiệt nước nóng có công suất 0,37kW Các đường ống PVC được bọc cách nhiệt dày 0,15mm

Các thí nghiệm được thiết lập ao gồm sấy ằng ộ gia nhiệt không khí (GNKK), Sấy ằng ơm nhiệt, sấy ằng nước nóng tích trữ và sấy kết hợp ằng ộ GNKK, sấy nước nóng, ơm nhiệt Khi sấy ằng ộ GNKK vận tốc của tác nhân sấy được thay đổi với 3 vận tốc 0,5 m/s; 0,8 m/s; 1 m/s, kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc sấy hành lá ở vận tốc 0,8 m/s đạt hiệu quả cao nhất với thời gian sấy là 6,5h độ

ẩm vật liệu đạt 11,1% Thời gian ắt đầu sấy là 10h đến 16h30, nhiệt độ TNS trung ình 38°C

N ng lượng tiêu thụ riêng khi sấy bằng bộ gia nhiệt không khí, nước nóng tích trữ,

ơm nhiêt và chế độ sấy kết hợp ( GNKK, nước nóng tích trữ, ơm nhiệt) tương

ứng là 2,4 (kWh/kg ẩm), 7,2 (Wh/kg ẩm), 10,8 (Wh/kg ẩm), 7,7 (Wh/ kg ẩm) Ta

thấy rằng khi sấy bằng bộ GNKK tiết kiệm 80% n ng lượng tiệu thụ so với ơm

nhiệt, khi sấy kết hợp là 40% và sấy bằng nước nóng tích trữ là 36%

ABSTRACT

Vietnam is a country with a very favorable geographical position to exploit solar energy, the number of sunny hours in a year is relatively high, about 1854 hours / year, so the potential from solar energy is huge Therefore, the application of solar energy in material drying brings great significance in terms of energy saving and environmental protection This thesis presents the evaluation results when using solar energy in combination with a heat pump to dry scallions with a yield of 1kg / batch in order to provide a reasonable drying regime, and the specific energy consumption of the method solar drying combined heat pump

A solar-powered scallions drying model with a heat pump is made including an heated collector with an area of 1m2 with V-groove plate structure A 1,5m2 area hot water collector with a curved tube structure and sheet interwoven with a total length tube of 15,4m A heat pump with a capacity of 1HP A heat-gas exchanger used to heat the air with hot water has dimensions of 0.21m x 0.33m x 0.1m with the structure of aluminum pipes and radiator fins The drying chamber has a structure of iron frame around tole and insulation layer with 25mm thickness A centrifugal exhaust fan with a capacity of 0,37kW 50 liter plastic hot water storage tank and insulated 15mm thick Recirculating water pump for hot water collection system has

air-a cair-apair-acity of 0.37kW PVC pipes air-are insulair-ated 0.15mm thick

The experiments set up included drying with an air heater, drying with a heat pump, drying with a stored hot water and a combined drying with an air heater, hot water drying, and a heat pump When drying with an air heater, the speed of the drying agent is changed at 3 speeds of 0,5 m/s; 0,8 m/s; 1 m/s, the experimental results showed that the drying of scallions at the speed of 0,8 m/s achieved the highest efficiency with a drying time of 6.5h, material moisture content of 11,1% The starting time of drying is 10 am to 16:30, the average temperature of drying agent is

38 ° C

The specific energy consumption when drying by air heater, stored hot water, heat pump and combined drying mode is 2,4 (kWh/kg moisture), 7,2 (kWh/kg moisture), respectively 10,8 (kWh/kg moisture),7,7 (kWh/kg moisture) We see that when drying with the air heater, it saves 80% of energy consumption compared to the heat pump, 40% when combined with drying and 36% is drying with hot water.

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của ản thân tôi Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận v n là trung thực, không sao chép từ ất kỳ một nguồn nào và dưới ất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có)

đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Học viên

Trần Tiến Dũng

MỤC LỤC

MỤC LỤC vii

DANH MỤC HÌNH ẢNH x

DANH MỤC BẢNG BIỂU xii

DANH MỤC KÝ HIỆU xiii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xvii

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vần đề 2

2 Mục tiêu nghiên cứu 3

3 Nội dung thực hiện đề tài 4

4 Giới hạn đề tài 4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 5

1.1 Tổng quan nghiên cứu về sấy bằng n ng lượng mặt trời, sấy bằng ơm nhiệt và kết hợp sấy bằng n ng lượng mặt trời với ơm nhiệt 5

1.1.1 Tổng quan nghiên cứu về sấy bằng n ng lượng mặt trời 5

1.1.2 Tổng quan nghiên cứu về sấy bằng ơm nhiệt 12

1.1.3 Tổng quan nghiên cứu về sấy bằng n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt 17 1.2 Khái quát về kỹ thuật sấy vật liệu, ơm nhiệt và n ng lượng mặt trời 19

1.2.1 Khái quát về kỹ thuật sấy 19

1.2.2 Khái quát về ơm nhiệt 22

1.2.3 Khái quát về n ng lượng mặt trời 24

1.3 Khái quát về vật liệu sấy 24

1.4 Kết luận chương 1 26

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THYẾT 27

2.1 Lý thuyết tính toán về sấy vật liệu 27

2.2 Lý thuyết tính toán về Bơm nhiệt 29

2.2.1 Quá trình sấy lạnh bằng ơm nhiệt hồi lưu toàn phần khí thải 29

2.2.2 Quá trình sấy lạnh bằng ơm nhiệt thải khí sau uồng sấy 35

2.3 Lý thuyết về tính toán n ng lượng mặt trời 38

2.4 Kết luận chương 2 45

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH SẤY 46

3.1 Mô hình sấy n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt 46

3.1.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy 46

3.1.2 Nguyên lý hoạt động 47

3.2 Các số liệu an đầu 47

3.2.1 Vật liệu sấy 47

3.2.2 Tác nhân sấy 48

3.2.3 Thời gian sấy 48

3.3 Xây dựng ài toán sấy 49

3.3.1 Quá trình sấy bằng n ng lượng mặt trời 49

3.3.2 Quá trình sấy bằng ơm nhiệt 58

3.4 Tính toán ộ thu n ng lượng mặt trời 64

3.4.1 Kết cấu bộ thu phẳng gia nhiệt không khí 64

3.4.2 Xác định cường độ bức xạ mặt trời 64

3.4.3 Các thông số của bộ thu phẳng gia nhiệt không khí 65

3.5 Tính toán ộ thu n ng lượng mặt trời gia nhiệt nước nóng 66

3.5.1 Cấu tạo của bộ thu NLMT gia nhiệt nước nóng 66

3.5.2 Tính toán thông số bộ thu NLMT gia nhiệt nước nóng 66

3.6 Kết luận chương 3 67

CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ 68

4.1 Giới thiệu mô hình thực nghiệm 68

4.2 Xác định các thông số đầu ra và đầu vào của thực nghiệm 70

4.2.1 Xác định thông số đầu ra 70

4.2.2 Xác định thông số đầu vào 70

4.2.3 Cách xác định các thông số trong thí nghiệm 71

4.3 Dụng cụ đo trong thí nghiệm 74

4.4 Kết quả thực nghiệm sấy bằng bằng n ng lượng mặt trời với bộ gia nhiệt không khí và nước nóng tích trữ 75

4.4.1 Sấy bằng bộ gia nhiệt KK-NLMT 76

4.4.2 Sấy bằng nước nóng tích trữ thông qua ộ gia nhiệt ( NN-KK) 85

4.5 Kết quả thực nghiệm sấy bằng ơm nhiệt 92

4.5.1 Mục đích thí nghiệm 93

4.5.2 Bố trí thí nghiệm 93

4.5.3 Kết quả và thảo luận 94

4.6 Kết quả thực nghiệm sấy kết hợp bằng bộ gia nhiệt không khí (KK NLMT) sấy bằng nước nóng tích trữ( KKNN) và sấy bằng ơm nhiệt (BN) 96

4.6.1 Mục đích thí nghiệm 96

4.6.2 Bố trí thí nghiệm 97

4.6.3 Kết quả và thảo luận 98

4.7Điện n ng tiêu thụ của các chế độ sấy 100

4.8Kết luận chương 4 101

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 99

1 Kết luận 99

2 Kiến nghị 100

TÀI LIỆU THAM KHẢO 101

PHỤ LỤC 104

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 146

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ và hình ảnh thiết bị sấy cá tra ằng n ng lương mặt trời [1] 5

Hình 1.2 Sơ đồ và hỉnh ảnh thiết bị sấy tỏi bằng n ng lượng mặt trời [2] 6

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống thiết bị sấy kiểu thùng quay [3] 7

Hình 1.4 Máy sấy gỗ bằng NLMT kết hợp buồng đốt sinh khối n ng suất 25 khối/mẻ tại Lâm Đồng [4] 7

Hình 1.5 Hình ảnh mô hình sấy thóc 200kg/mẻ.[5] 8

Hình 1.6 Thiết bị sấy hạt ca cao lên men [6] 9

Hình 1.7 Hình ảnh bố trí thí nghiệm [7] 9

Hình 1.8 Thiết bị thu NLMT tiếp xúc 2 mặt có cánh tản nhiệt [8] 10

Hình 1.9 Thiết bị thu NLMT dạng tấm sóng V [9] 11

Hình 1.10 Sơ đồ bố trí hệ thống sấy bằng tấm thu dạng V [9] 11

Hình 1.11 Sơ đồ sấy tầng sôi hỗ trợ bằng n ng lượng mặt trời [10] 12

Hình 1.12 Hình ảnh mô hình sấy tầng sôi hỗ trợ bằng n ng lượng mặt trời [10] 12

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý sấy lạnh hồi lưu toàn phần khí thải trên mô hình hệ thống sấy ơm nhiệt kiểu thùng quay [11] 13

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý làm việc của phương pháp sấy lạnh bằng ơm nhiệt [12] 14

Hình 1.15 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy sấy lạnh bằng ơm nhiệt 15

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý và vị trí lắp các cảm iến đo các thông số trên mô hình máy sấy lạnh bằng ơm nhiêt [14] 15

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy sấy bằng n ng lượng mặt trời dạng tích trữ n ng lượng kết hợp sấy ơm nhiệt [16] 18

Hình 1.18 Sơ đồ và hình ảnh thực tế của máy sấy nhiệt được kết hợp bằng n ng lượng mặt trời được tích hợp với lò sinh khối[17] 18

Hình 1.19 Sơ đồ hệ thống sấy kiểu buồng và hệ thống sấy hầm 21

Hình 1.20 Sơ đồ hệ thống sấy tháp và hệ thống sấy thùng quay 21

Hình 1.21 Sơ đồ hệ thống sấy tầng sôi và hệ thống sấy khí động 22

Hình 1.22 Sơ đồ hệ thống sấy phun 22

Hình 1.23 Nguyên lý làm việc và cấu tạo của ơm nhiệt 23

Hình 1.24 Hình ảnh thực tế hành lá 25

Hình 2.1 Sơ đồ và đồ thị I-d của quá trình sấy 27

Hình 2.2 Biểu diễn nguyên lý sấy lạnh bằng ơm nhiệt hồi lưu toàn phần khí thải 30 Hình 2.3 Cấu tạo, bố trí các thiết bị và nguyên lý máy sấy lạnh bằng ơm nhiệt hồi lưu toàn phần khí thải 30

Hình 2.4 Cấu trúc một máy sấy ơm nhiệt hồi lưu toàn phần khí thải kết hợp gia

nhiệt bổ sung bằng bộ vi sóng 31

Hình 2.5 Bố trí các thiết bị chính của máy sấy lạnh hồi lưu 31

Hình 2.6 Đồ thi I-d biểu diễn quá trình sấy lạnh bằng ơm nhiệt (làm lạnh, tách ẩm, gia nhiệt,sấy và hồi lưu toàn phần khí thải) 32

Hình 2.7 Hai dàn lạnh mắc song song và mắc nối tiếp 34

Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý sấy lạnh bằng ơm nhiệt có ổ sung nhiệt chế độ sấy thải bỏ tác nhân 35

Hình 2.9 Sơ đồ nguyên lý máy sấy lạnh bằng ơm nhiệt có cấp bổ sung nhiệt 36

Hình 2.10 Đồ thị I-d biểu diễn các quá trình sấy lạnh thải bỏ tác nhân ằng ơm nhiệt có cấp bổ sung nhiệt 36

Hình 2.11 Quan hệ các góc hình học của tia bức xạ mặt trời trên mặt phẳng nghiêng 40

Hình 2.12 Sơ đồ phân ố các thành phần bức xạ khuếch tán 42

Hình 2.13 Các thành phần bức xạ lên ề mặt ngang 44

Hình 2.14 Bức xạ trực xạ trên ề mặt nằm ngang và nghiêng 45

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống ơm nhiệt kết hợp n ng lượng mặt trời 46

Hình 3.2 Hình Biểu diễn quá trình sấy trên đồ thị I-d 49

Hình 3.3 Kích thước cơ ản của buồng sấy 52

Hình 3.4 Cấu tạo các lớp của buồng sấy 52

Hình 3.5 Quá trình sấy lạnh thải bỏ tác nhân sấy 58

Hình 3.6 Cấu tạo bộ thu phẳng gia nhiệt không khí 64

Hình 3.7 Cấu tạo bộ thu n ng lượng mặt trời đun nước nóng 66

Hình 4.1 Sơ đồ thể hiện vị trí lắp đặt các thiết bị đo và vị trí đo lấy mẫu các thông số trong thực nghiệm 68

Hình 4.2 Hình ảnh bố trí lắp đặt thực tế mô hình sấy NLMT kết hợp ơm nhiệt 69

Hình 4.3 Hình ảnh và sơ đồ thể hiện cách ố trí thiết bị đo trong thí nghiệm 71

Hình 4.4 Sơ đồ khối đấu nối các thiết bị điện trong mô hình 72

Hình 4.5 Chiết áp 4 kW dải điện áp 0-220V dùng để thay đổi số vòng quay của ơm 73

Hình 4.6 Máy đo ức xạ mặt trời TENMARS TM-206 (trái), Đồng hồ đo nhiệt độ TOHO TTM-004 (phải) 74

Hình 4.7 Máy đo tốc độ gió TESTO 410-2 (trái), Cân điện tử CAS SW-1 (phải) 74

Hình 4.8 Lưu đồ thực hiện thực nghiệm sấy bằng bộ GNKK và nước nóng tích trữ 75

Hình 4.9 Sơ đồ mô hình khi sấy bằng bộ gia nhiệt không khí 76

Hình 4.10 Đồ thị thể hiện sự thay đổi nhiệt độ TNS theo thời gian tương ứng với mỗi vận tốc TNS 79

Hình 4.11 Đồ thị giảm ẩm tương ứng với các vận tốc TNS 81

Hình 4.12 Đồ thị tốc độ sấy tương ứng với các vận tốc TNS 82

Hình 4.13 Biểu đồ so sánh điện n ng tiêu thụ riêng của mỗi vận tốc TNS 84

Hình 4.14 Sơ đồ mô hình khi sấy bằng nước nóng tích trữ 85

Hình 4.15 Đồ thị thể hiện sự thay đổi nhiệt độ nước và BXMT theo thời gian 88

Hình 4.16 Đồ thị thể hiện sự thay đổi nhiệt độ TNS, nhiệt độ nước theo thời gian 89 Hình 4.17 Đồ thị giảm ẩm khi sấy bằng nước nóng 91

Hình 4.18 Lưu đồ thực hiện thực nghiệm sấy bằng ơm nhiệt 92

Hình 4.19 Sơ đồ mô hình khi sấy bằng ơm nhiệt 92

Hình 4.20 Đồ thị giảm ẩm sấy khi sấy bằng ơm nhiệt 95

Hình 4.21 Lưu đồ thực hiện thực nghiệm sấy kết hợp bộ GNKK, nước nóng và ơm nhiệt 96

Hình 4.22 Đồ thị giảm ẩm của thực nghiệm sấy kết hợp 3 phương pháp sấy 99

Hình 4.23 Biểu đồ so sánh điện n ng tiêu thụ riêng của các chế độ sấy (kWh/kg ẩm) 100

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Nghiên cứu về sấy bằng ơm nhiệt [15] 16

Bảng 3.1 Thông số trạng thái của quá trình sấy trên đồ thị I-d 51

Bảng 3.2 Thông số trạng thái của quá trình sấy trên đồ thị I-d 61

Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật các ộ phận chính của mô hình sấy bằng n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt 67

Bảng 4.1 Bảng liệt kê dụng cụ đo sử dụng trong thực nghiệm 74

Bảng 4.2 Bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trường,nhiệt độ TNS theo thời gian khi sấy bằng bộ GNKK 78

Bảng 4.3 Độ ẩm vật liệu và nhiệt độ TNS theo thời gian khi sấy bằng bộ GNKK 80

Bảng 4.4 Điện n ng tiêu thụ riêng tương ứng với mỗi vận tốc TNS 83

Bảng 4.5 BXMT, nhiệt độ nước trong bồn và điện n ng tiêu thụ theo thời gian khi sấy bằng nước nóng 88

Bảng 4.6 Nhiệt độ nước, nhiệt độ TNS, độ ẩm vật liệu theo thời gian khi sấy bằng nước nóng 90

Bảng 4.7 Bảng thông số thực nghiệm sấy bằng ơm nhiệt 94

Bảng 4.8 Bảng thông số thực nghiệm sấy kết hợp 3 phương pháp sấy 98

Bảng 4.9 Điện n ng tiêu thụ riêng của các chế độ sấy (kWh/kg ẩm) 100

Cường độ bức xạ mặt trời tới theo phương ất kỳ W/m2

Bức xạ ngoài khí quyển được đo trên mặt phẳng

vuông góc với tia

W/m2

Bức xạ phản xạ từ các ề mặt khác lân cận W/m2

Hệ số góc của bề mặt đối với mặt đất

Hệ số góc của bề mặt đối với bầu trời

Khối lượng sản phẩm sau khi sấy kg

Etanpi của không khí trước khi vào uồng sấy kJ/kg kk Etanpi của không khí vào uồng sấy kJ/kg kk Etanpi của không khí ra khỏi uồng sấy kJ/kg kk Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm sau dàn lạnh kJ/kg

Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm trước dàn lạnh kJ/kg

Nhiệt lượng của cả quá trình sấy lạnh kJ

Tổn thất do làm nóng khay sấy và uồng sấy kJ

Hệ số phản xạ của môi trường xung quanh

Độ chứa ẩm của không khí trước khi vào uồng sấy kg ẩm/kg kk

Độ chứa ẩm của không khí vào uồng sấy kg ẩm/kg kk

Độ chứa ẩm của không khí ra khỏi uồng sấy kg ẩm/kg kk

Độ chứ ẩm của không khí ẩm sau dàn lạnh kg ẩm/kg kk

Nhiệt lượng riêng của quá trình sấy kJ/kg ẩm

Nhiệt lượng cần để làm ay hơi 1 kg nước trong vật sấy

kJ/kg ẩm

Nhiệt độ không khí trước khi vào uồng sấy °C

Góc thiên đỉnh của mặt trời Độ

Độ ẩm tương đối không khí trước khi vào uồng sấy

%

Độ ẩm tương đối không khí vào uồng sấy %

Độ ẩm tương đối không khí ra khỏi uồng sấy %

Ac Diện tích của ộ thu gia nhiệt không khí m2

Ac Diện tích của bộ thu gia nhiệt không khí m2

At Khối lượng hiển thị trên cân theo thời gian bức xạ

vào ngày thứ n trong n m

gram

Gk Khối lượng khay sấy và khung treo khay sấy kg

L Lưu lượng không khí khô trong quá trình sấy kg kk/giờ

n Thứ tự ngày của 1 n m

q1, q2, q3 Mật độ dòng nhiệt qua các lớp của buồng sấy W/m2

q Mật độ truyền nhiệt qua một đơn vị diện tích W/m2

R Cường độ bức xạ mặt trời trung ình lấy theo ngày kWh/ m2

Sxq Diện tích ề mặt xung quanh của uồng sấy m2

W Tổng lượng nước cần lấy đi từ quá trình sấy Kg ẩm/mẻ

Lượng không khí khô cần thiết để làm ay hơi 1 kg

ẩm trong vật sấy

kg kk/kg ẩm

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

BXMT Bức xạ mặt trời

COP Coeficient of Performance (Hệ số hiệu quả n ng lƣợng)

GNKK Gia nhiệt không khí

HPD Heat pump drying (Sấy ằng ơm nhiệt)

SD Solar drying (Sấy ằng n ng lƣợng mặt trời)

SMER Specific moisture extraction rate (Tỉ lệ tách ẩm riêng)

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Ngày nay với sự phát triển kinh tế và gia t ng dân số một cách nhanh chóng dẫn đến nhu cầu sử dụng n ng lượng của con người ngày càng t ng cao làm cho tình trạng các nguồn nhiên liệu hóa thạch cạn kiệt, vấn đề ô nhiễm môi trường, hiệu ứng nhà kính trở nên nghiêm trọng, việc khan hiếm nguồn n ng lượng hóa thạch đồng thời cũng làm gia t ng các chi phí n ng lượng như giá điện, giá x ng, than… Chính vì vậy việc nghiên cứu về n ng lượng tái tạo đã trở thành vấn đề nóng của thế giới trong những n m gần đây Các nguồn n ng lượng tái tạo đang được quan tâm nghiên cứu như n ng lượng mặt trời, n ng lượng gió, n ng lượng thủy triều Việt Nam là một nước có vị trí địa lý rất thuận lợi để khai thác nguồn n ng lượng mặt trời, số giờ nắng trong n m là tương đối cao khoảng 1854 giờ/n m [23] do đó tiềm

n ng từ nguồn n ng lượng mặt trời là rất lớn

Trong những n m gần đây sấy vật liệu bằng n ng lượng mặt trời (NLMT) đã được các nhà khoa học Việt Nam quan tâm nghiên cứu và ứng dụng vào sản xuất, ước đầu mang lại hiệu quả về mặt tiết kiệm n ng lượng và nâng cao chất lượng sản phẩm hơn so với sấy truyền thống Tuy nhiên vẫn tồn tại một số hạn chế như sấy bằng NLMT sẽ bị gián đoạn giữa an ngày và an đêm, phụ thuộc theo thời tiết ngày nắng ngày mưa

Đối với thực phẩm khi sấy ở nhiệt độ cao có thể phá hủy các hoạt tính sinh học như hoóc-môn, màu, mùi vị, vitamin, protein…làm thay đổi chất lượng sản phẩm Do đó ngoài việc sấy để giảm độ ẩm như một số sản phẩm khác thì còn yêu cầu phải đảm bảo các tính chất như màu sắc, hương vị, chất dinh dưỡng của thực phẩm cần được giữ lại sau quá trình sấy Sấy lạnh bằng nguyên lý ơm nhiệt là một trong những phương pháp đáp ứng được những yêu cầu khắt khe về chất lượng sản phẩm sau khi sấy Bởi vì tác nhân sấy có độ ẩm thấp, nhiệt độ sấy thấp nên giữ được màu sắc,

mùi vị và hạn chế được sự thay đổi bất lợi so với các phương pháp sấy thông thường

Việc kết hợp sử dụng n ng lượng mặt trời và ơm nhiệt vào trong quá trình sấy thực phẩm sẽ giải quyết được vấn đề tiết kiệm n ng lượng, hạn chế ô nhiễm môi trường, khắc phục hạn chế của việc sấy bằng NLMT, đảm bảo chất lượng của sản phẩm Chính vì những lý do đó tác giả đã chọn nghiên cứu thực hiện đề tài luận v n

“Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm mô hình sấy hành lá bằng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt”

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Nghiên cứu tính toán, thiết kế chế tạo được một mô hình sấy n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt để sấy hành lá

- Xây dựng được chế độ sấy hành lá ằng n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt

- Đưa ra đươc chi phí tiêu thụ điện n ng riêng về sấy có kết hợp n ng lượng mặt trời

và ơm nhiệt

2.1 Cách tiếp cận

* Tiếp cận lý thuyết:

- Thu thập các tài liệu, các công ố khoa học, nghiên cứu liên quan đến đề tài

- Tra cứu khoa học về tính chất và đặc điểm của hành lá

2.2 Phương pháp nghiên cứu

* Nghiên cứu lý thuyết

- Thực hiện tổng quan các tài liệu, công trình, ài áo có liên quan đến mô hình sấy

n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt một cách có hệ thống, mang tính kế thừa và

có chọn lọc

- Thực hiện tính toán thiết bị thu n ng lượng mặt trời

- Thực hiện tính toán thiết kế mô hình sấy

* Nghiên cứu thực nghiệm

- Tiến hành thực nghiệm mô hình sấy n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt, với vật liệu sấy là hành lá Trong quá trình thực nghiệm các thông số làm việc của hệ thống sẽ được ghi nhận lại Từ các thông số được ghi nhận lại sau đó phân tích để đánh giá hiệu quả làm việc của mô hình

Bảng tóm tắt nội dung thực hiện- phương pháp nghiên cứu- cách tiếp cận – kỹ

thuật giải quyết nội dung và kết quả đạt được

TT Nội dung Phương pháp

nghiên cứu

Cách tiếp cận Kỹ thuật thực hiện

Kết quả cần đạt được

tổng quan

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Tiếp cận lý thuyết

Nghiên cứu phân tích tổng hợp nội dung của các ài áo khoa học

Có được kết quả về việc lựa chon mô hình sấy

2 Chương cơ

sở lý thuyết

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Tiếp cận lý thuyết

Tiếp cận lý thuyết

Phân tích và thiết kế

hệ thống

Xây dựng được mô hình máy sấy n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt

thực nghiệm

Tiếp cận

thực tiễn

Sử dụng phần mềm để đánh giá kết quả thực

nghiệm từ mô hình thực nghiệm

Xây dựng được chế

độ sấy hợp lý cho hành lá khi sấy bằng máy sấy n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt

3 Nội dung thực hiện đề tài

Nội dung luận v n gồm các nội dung chính sau:

- Tổng quan về sấy ằng n ng lượng mặt trời, sấy ằng ơm nhiệt và kết hợp sấy ằng n ng lượng mặt trời với ơm nhiệt

- Phân tích kết cấu, cấu trúc, lựa chọn và tính toán thiết kế mô hình sấy hành lá ằng

n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt

- Xây dựng ài toán và thực hiện tính toán sấy cho hành lá

- Xây dựng bộ bản vẽ thiết kế và chế tạo mô hình sấy

- Thực hiện chế tạo và lắp ráp mô hình sấy theo yêu cầu đặt ra

- Thực nghiệm đo đạc số liệu khảo nghiệm sấy hành lá theo mục tiêu nghiên cứu

- Xử lý số liệu thực nghiệm và xây dựng chế độ sấy hành lá theo mục tiêu đề ra

4 Giới hạn của đề tài

- Trong đề tài này tác giả chỉ thực nghiệm cho hành lá (không thực hiện sấy trên nhiều loại vật liệu sấy khác) để đánh giá hiệu quả của việc sử dụng mô hình sấy NLMT kết hợp ơm nhiệt

- Đề tài không đánh giá về màu sắc và thành phần dinh dưỡng của sản phẩm sau khi sấy

- Trong khuôn khổ thời gian thực hiện luận v n đề tài chủ yếu tập trung vào phần thực nghiệm sấy do đó chưa tính toán, đánh giá kiểm nghiệm bền các chi tiết trong

mô hình

- Thời gian thực nghiệm trùng với lệch cách ly xã hội do dịch bệnh Covid-19 nên luận v n không có điều kiện thực nghiệm xác định ảnh hưởng của góc tới θ và góc nghiêng β đối với bộ thu n ng lượng mặt trời vì vậy đề tài kế thừa kết quả nghiên cứu của những tác giả trước về 2 thông số góc này

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan nghiên cứu về sấy bằng năng lượng mặt trời, sấy bằng bơm nhiệt và kết hợp sấy bằng năng lượng mặt trời với bơm nhiệt

1.1.1 Tổng quan nghiên cứu về sấy bằng năng lượng mặt trời

1.1.1.1 Công bố trong nước

Trần Ngh a Khang và các cộng sự [1] đã nghiên cứu hiệu quả của việc sấy khô cá tra bằng n ng lượng mặt trời, thiết bị này có dạng sấy buồng nhưng cho ức xạ trực tiếp vào vật liệu sấy, không khí sấy dùng quạt để đối lưu cưỡng ức đi qua ộ thu nhiệt 2 lần ở cả mặt trên và dưới làm t ng hiệu suất trao đổi nhiệt, vật liệu sấy là cá được treo bằng các móc phía trong uồng, nhiệt độ trung ình của buồng sấy so với môi trường xung quanh được ghi nhận cao hơn khoảng 10ᴼC, nhiệt độ này theo tác giả là khá phù hợp với nhiệt độ sấy tối ưu của sản phẩm này Khi so sánh giữa các phương pháp làm khô, chất lượng sản phẩm được sấy ằng máy sấy NLMT cao hơn

rõ rệt khi so với phương pháp phơi khô trực tiếp dưới ánh nắng mặt trời Lượng peroxide trong mẫu cá phơi khô cao gấp 2 lần lượng peroxide trong mẫu cá sấy ằng máy sấy NLMT

Hình 1.1 Sơ đồ và hình ảnh thiết bị sấy cá tra ằng n ng lương mặt trời [1] Đinh Vương Hùng và các cộng sự [2] đã nghiên cứu thiết kế hệ thống sấy tỏi dùng

n ng lượng mặt trời kiểu hỗn hợp đối lưu tự nhiên Kết quả thí nghiệm cho thấy nhiệt độ không khí ra khỏi bộ thu nhiệt và trong uồng sấy cao hơn so với nhiệt độ

môi trường 10-20°C Sự gia t ng nhiệt độ trong buồng sấy đạt đến 50-55ᴼC trong khoảng ba giờ từ giữa trưa Với 240 kg tỏi, lượng hơi ẩm mất đi trung ình là 1,42kg/giờ tương ứng với tốc độ sấy 0,31 %/giờ Tỏi sau sấy đạt độ ẩm trung ình phần thân củ là 55%, phần vỏ lụa là 8%, phù hợp với yêu cầu bảo quản lâu dài

Chú thích: 1-Bộ thu chính; 2-Bộ phận điều khiển nhiệt độ; 3-Buồng sấy; 4-Mái

kính; 5-Khay sấy; 6-Quả cầu hút ẩm Hình 1.2 Sơ đồ và hỉnh ảnh thiết bị sấy tỏi bằng n ng lượng mặt trời [2] Mai Thanh Phong và Phan Đình Tuấn [3] đã nghiên cứu chế tạo thiết ị sấy n ng lượng mặt trời với n ng lượng sinh khối để sấy cà phê Nghiên cứu đã giải quết được vấn đề tích trữ nhiệt n ng của mặt trời ằng nguyên lý ình nước nóng N ng lượng mặt trời được thu qua các ống thu NLMT (5) và truyền cho lưu chất trong ống và tích lại tại ình tích nhiệt (6) đồng thời kết hợp với n ng lượng sinh khối để

t ng tính liên tục của hệ thống Kết quả cho thấy chất lượng sản phẩm và tốc độ sấy ằng phương pháp mặt trời kết hợp n ng lượng sinh khối tốt hơn so với phương pháp sấy tự nhiên (Hình 1.3)

Một áo cáo về sấy gỗ bằng n ng lượng mặt trời n ng suất 25 khối/mẻ tại Lâm Đồng [4] thuộc loại máy sấy NLMT kết hợp Hoàng Xuân Niên, Nguyễn Minh Hùng đã chế tạo bộ thu NLMT kết hợp với buồng đốt sinh khối, cả 2 nguồn nhiệt này kết hợp cấp nhiệt cho calorifer sấy thông qua chất tải nhiệt là dầu Apig seriola

6100, kết quả nghiên cứu cho rằng thiết bị này đem lại hiệu quả kinh tế cao do sử dụng nhiên liệu đốt sẵn có, tuy nhiên chưa có đánh giá và so sánh cụ thể (Hình 1.4)

Chú thích: 1 - Không khí; 2 - Khói lò; 3 – Calorife; 4 - Khói thải; 5 - Ống thu

NLMT; 6 - Bồn trữ NLMT; 7 - Lưu chất tải nhiệt; 8 - Bơm tuần hoàn; 9 - Quạt gió;

10 - Nạp và tháo liệu; 11 - Thùng sấy; 12 - Hồi lưu khí thải; 13 - Không khí thải

Hình 1.3 Sơ đồ hệ thống thiết bị sấy kiểu thùng quay [3]

Hình 1.4 Máy sấy gỗ bằng NLMT kết hợp buồng đốt sinh khối n ng suất 25

khối/mẻ tại Lâm Đồng [4]

Đỗ Minh Cường, Phan Hòa [5] đã nghiên cứu quá trình sấy thóc ằng n ng lượng mặt trời kiểu đối lưu tự nhiên với n ng suất 200kg/mẻ, Mô hình đã mang lại hiệu quả cao so với việc phơi nắng tự nhiên, thời gian sấy nhanh gấp 1,5 -2 lần, giảm tổn thất sau thu hoạch, giảm nhân công Mặt khác việc xây dựng mô hình khá đơn giản,

sử dụng các vật liệu có sẵn ở địa phương nên việc ứng dụng rất cao ở nông thôn Tuy nhiên mô hình sấy vẫn còn một số hạn chế nhiệt độ của quá trình sấy thay đổi theo thời gian và quá trình sấy phụ thuộc khá nhiều vào thời tiết

1 Tôn mạ kẽm sơn đen; 2 Tấm kính trong suốt; 3 Gỗ tạp dày 3mm;

4 Tấm phủ trong suốt; 5 Khung sắt V Hình 1.5 Hình ảnh mô hình sấy thóc 200kg/mẻ.[5]

Thiết bị sấy hạt ca cao lên men được nghiên cứu và truyển khai tại Đắc Lắc Cần Thơ và Bến Tre [6] là thiết bị sấy n ng lượng mặt trời đối lưu tự nhiên có sử dụng

bộ phận tích trữ nhiệt bằng đá hộc sơn đen và sử dụng thêm vài óng đèn dây tóc để sấy khi trời mưa, chính vì vậy thiết bị sấy này trở thành loại thiết bị sấy NLMT kết hợp (Loại lai) Nếu nhiệt độ môi trường là 22 – 36ºC thì nhiệt độ buồng sấy có thể đạt được 29 -59°C Kết quả đạt được là thời gian sấy rút ngắn được 1 -2 ngày so với sấy phơi ở cùng điều kiện, sản phẩm không ị mốc hay lên men quá độ như khi phơi (Hình 1.6)

Đỗ Minh Cường cùng các cộng sự tại trường Đại học Nông Lâm Huế đã làm một thí nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu và vật liệu tạo tấm hấp phụ đến thông

số nhiệt của bộ thu n ng lượng mặt trời [7] Trong đó nhóm tác giả đã thí nghiệm ảnh hưởng của vật liệu, góc nghiêng, ảnh hưởng của chiều cao lắp đặt bộ thu NLMT Kết quả thí nghiệm cho thấy biến thiên nhiệt độ không khí thu được sau bộ

thu phụ thuộc vào góc nghiêng lắp đặt: góc nghiêng lắp đặt đƣợc thực hiện bao gồm 20°,30°,40°, Kết quả ở góc nghiêng 40°C hiệu suất của bộ thu đạt hiệu quả cao nhất (Hình 1.7)

Hình 1.6 Thiết bị sấy hạt ca cao lên men [6]

Chú thích: a- hình ảnh mô hình thí nghiệm; b-hình ảnh dụng cụ đo; 1-tấm hấp thụ;

2- tấm đậy trong suốt là kính xây dựng Hình 1.7 Hình ảnh bố trí thí nghiệm [7]

1.1.1.2 Công bố nước ngoài

A Fudholi và công sự [8] đã phát triển hệ thống sấy buồng với thành phần chính là

bộ thu NLMT, quạt cấp không khí, gia nhiệt phụ trợ, buồng sấy Bộ thu NLMT được cải tiến với việc luồng không khi đi qua 2 lần tiếp xúc cả mặt trên và dưới của tấm hấp thụ có ề mặt đen, có cánh tản nhiệt nhằm t ng cường trao đổi nhiệt, điều này làm t ng nhiệt độ không khí vào trong uồng sấy Từ những số liệu thí nghiệm, tác giả đã đưa ra nhận xét bức xạ mặt trời ảnh hưởng đến nhiệt độ không khí qua bộ thu, cường độ bức xạ mặt trời càng cao thì nhiệt độ không khí ra khỏi bộ thu nhiệt càng cao Hệ thống này dùng để sấy rong biển, nhiệt độ trung ình vào uồng sấy đạt 57 – 640

C, bức xạ mặt trời từ 453-562 W/m2 với lưu lượng khối lượng không khí 0,0536 kg/s, hiệu suất trung ình của bộ thu NLMT là 35%

Hình 1.8 Thiết bị thu NLMT tiếp xúc 2 mặt có cánh tản nhiệt [8]

Để t ng cường khả n ng thu nhiệt, tiết kiệm diện tích đặt thiết bị sấy, thiết bị thu nhiệt được cải tiến với mặt thu dạng lượn sóng chữ V.M Yahya [9] và công sự đã thiết kế chế tạo một thiết bị sấy như vậy với diện tích ộ thu NLMT là 13,8 m2, một quạt để lưu thông không khí, một bộ gia nhiệt phụ công suất 10 kW sẽ hoạt động nếu nhiệt độ của buồng sấy nhỏ hơn nhiệt độ cài đặt trước được chỉ định là 50ºC Nhiệt độ không khí vào uồng sấy có thể đạt tới 55°C ở mức bức xạ mặt trời 600-

700 W/m2 và nhiệt độ môi trường 27-34ºC Độ ẩm an đầu của vật liệu là 87% (cơ

sở ướt) và độ ẩm cuối cùng là 54% (cơ sở ướt) Tổng thời gian sấy là 12 giờ trong

đó n ng lượng mặt trời đóng góp khoảng 56% tổng n ng lượng tiêu hao dùng để sấy

lá trà, kết quả thu được sản phẩm với chất lượng cao

Hình 1.9 Thiết bị thu NLMT dạng tấm sóng V [9]

Hình 1.10 Sơ đồ bố trí hệ thống sấy bằng tấm thu dạng V [9]

M Yahya cùng các cộng sự [9] Viện Nghiên cứu N ng lượng Mặt trời, Đại học

Ke angsaan Malaysia đã nghiên cứu thiết kế mô hình sấy tầng sôi hỗ trợ n ng lượng mặt trời Mô hình sấy gồm các thành phần chính là ộ thu n ng lượng mặt trời, tầng sôi, cyclone, quạt gió và uồng sấy Bộ thu n ng lượng mặt trời có cấu tạo lớp kính phủ ên ngoài, tấm hấp thụ vật liệu nhôm được sơn đen, ên trong và ên ngoài ộ thu được phủ nhôm dày 1 mm và cách nhiệt bằng ông thủy tinh Nghiên cứu đã thực hiện sấy 12kg lúa với độ ẩm an đầu là 20% được sấy đến độ ẩm cuối cùng là 14% trong 40 phút với nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí vào buồng sấy khoảng 50°C và 23% Kết quả cho thấy hệ thống này có khả n ng sấy lúa nhanh chóng vì tốc độ sấy khá cao

Hình 1.11 Sơ đồ sấy tầng sôi hỗ trợ bằng n ng lƣợng mặt trời [10]

Hình 1.12 Hình ảnh mô hình sấy tầng sôi hỗ trợ bằng n ng lƣợng mặt trời [10]

1.1.2 Tổng quan nghiên cứu về sấy bằng bơm nhiệt

1.1.2.1 Công bố trong nước

Võ Mạnh Duy và Lê Chí Hiệp [11] đã nghiên cứu thiết kế và chế tạo mô hình sấy

ơm nhiệt kiểu thùng quay Kết quả thực nghiệm cho thấy cà rốt đƣợc sấy ở nhiệt

độ sấy 40ᴼC, vận tốc tác nhân sấy 2,5 m/s, số vòng quay 15 vòng/phút, khối lƣợng sấy an đầu 4,5 kg hệ thống sấy đạt hiệu suất tách ẩm cao, làm việc ổn định và hiệu

quả hơn Sản phẩm sấy giữ được màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dưỡng tốt hơn so với các phương pháp sấy thông thường

Chú thích: 1 dàn ngưng tụ trong; 2 quạt; 3 dàn ay hơi; 4 máy nén; 5 dàn ngưng

tụ ngoài; 6, 7, 9 van chặn; 8 ình chứa cao áp; 10 phin lọc; 11 kính xem ga; 12 van tiết lưu nhiệt; 13, 15, 19 cảm biến nhiệt độ và độ ẩm; 14 động cơ điện (có hộp giảm tốc); 16 bộ truyền động xích; 17 thùng sấy; 18 ổ đỡ; 20 máng nước ngưng Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý sấy lạnh hồi lưu toàn phần khí thải trên mô hình hệ

thống sấy ơm nhiệt kiểu thùng quay [11]

Trong một nghiên cứu về ảnh hưởng của chế độ sấy đối lưu kết hợp với ơm nhiệt đến n ng lượng tiêu hao và chất lượng mực khô, Trần Đại Tiến và Lê Như Chính [12] đã cho thấy chế độ sấy thích hợp cho mực khô là ở: nhiêt độ sấy 35ᴼC, vận tốc gió 2,0 m/s cho chất lượng cảm quan 19,36 điểm (theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN3215-79) và tỷ lê hút nước phục hồi 71,30% lớn hơn hẳn so với mẫu sấy nóng ằng điện trở chỉ đạt 17,82 điểm (theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN3215-79)

và tỷ lệ hút nước phục hồi 57,04% Thời gian sấy ngắn hơn và n ng lượng tiêu hao cho 1 kg sản phẩm mực khô hết 2,94 kWh, giảm gần 7,3 lần so với mẫu sấy nóng bằng điên trở

Chú thích: 1 Máy nén lạnh; 2 Lọc; 3 Dàn lạnh; 4 Dàn nóng; 5 Dàn điện trở; 6 Giá đỡ nguyên liệu sấy; 7; 8; 12; 13 Các van chặn ga; 9 Ống mao; 10 Phin lọc ẩm;

11 Dàn lạnh ngoài; 14 Khung đỡ thiết bị sấy; 15 Van hút chân không và nạp ga

Hình 1.14 Sơ đồ nguyên lý làm việc của phương pháp sấy lạnh bằng ơm nhiệt [12] Hoàng Ngọc Đồng và Lê Minh Trí [13] đã nghiên cứu mô hình sấy ơm nhiệt tại trường Đại học công nghiệp Huế (hình 1.15) Một số thực nghiệm trên mô hình đã cho thấy: khi giảm tỷ số nén của ơm nhiệt, nhiệt độ sấy t ng mạnh, độ ẩm giảm nhiều Tác giả cũng đề xuất nhiệt độ ay hơi hợp lý nhất là từ -5 đến 0ᴼC Tác giả kết luận khi sấy bằng ơm nhiệt thì thời gian sấy và lượng điện tiêu thụ đều giảm hơn so với sấy bằng điện trở do độ ẩm tác nhân sấy giảm mạnh nên chênh lệch áp suất hơi nước trong tác nhân sấy t ng lên nhiều, làm giảm thời gian sấy

Trong một nghiên cứu về chế độ hoạt động máy sấy uồng đối với hành lá theo nguyên lí ơm nhiệt Nguyễn Thị Út Hiền, Trần Đức Độ [14] đã thực hiện các thí nghiệm nhằm xác định nhiệt độ và vận tốc TNS hợp lý để sấy hành lá Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng ở nhiệt độ 40°C, vận tốc TNS 1 m/s cho thời gian sấy ngắn nhất là 9h Sản phẩm sấy hành lá đạt chất lượng về màu sắc xanh sáng tự nhiên, mùi

vị thơm ngon (hình 1.16)

Chú thích: 1 Máy nén ; 2.Bình ga; 3 Bộ nạp ga; 4 Khay hứng nước; 5 Điều chỉnh gió; 6 Dàn lạnh; 7 Nhiệt kế; 8 Dàn nóng; 9 Điện trở; 10 Tốc độ kế; 11 Vật liệu sấy; 12 Miệng thổi; 13 Quạt gió; 14 Bộ lọc; 15 Ống mao; 16.Van tiết lưu; 17 Ẩm

kế

Hình 1.15 Sơ đồ cấu tạo và nguyên lý hoạt động của máy sấy lạnh bằng ơm nhiệt

kiểu thải khí ẩm sau buồng sấy [13]

Chú thích: 1.Máy nén; 2.Van chặn dàn nóng chính; 3 Van điện từ; 4 Dàn nóng chính; 5 Dàn nóng phụ; 6 Van điện từ; 7 Bình chứa cao áp; 8 Van tiết lưu; 9 Dàn lạnh, 10 Máng đựng nước ngưng; 11 Bình chứa nước ngưng;12 Vị trí lắp các cảm biến; 13 Buồng sấy; 14 Cánh dẫn hướng; 15 Khay chứa vật liệu sấy; 16 Giá chứa các khay

Hình 1.16 Sơ đồ nguyên lý và vị trí lắp các cảm iếnđo các thông số trên mô hình

máy sấy lạnh bằng ơm nhiêt [14]

1.1.2.2 Công bố nước ngoài

Roonak Daghigh và các cộng sự [15] đã nghiên cứu tổng quan ứng dụng của máy sấy ơm nhiệt

Bảng 1.1 Nghiên cứu về sấy bằng ơm nhiệt [15]

1 (Chou et al.,

1998, 2001);

(Chu et al., 2000)

Nông sản và hải sản

Với điều kiện sấy theo lịch trình, chất lượng sản phẩm có thể được cải thiện

2 (Oktay et al.,

2003)

Len SMER nằm trong khoảng 0,65-1,75 kg /

kWh COP nằm trong khoảng 2,47-3,95

Trái xoài Hiệu quả n ng lượng được cải thiện so

với máy sấy điện trở

5 (Hawlader et al.,

2006)

Táo, ổi và khoai tây

Máy sấy ơm nhiệt không khí iến đổi

có tính chất vật lý tốt hơn

6 Chegini et al.,

2007

Mận Nhiệt độ sấy tối ưu cho mận nằm trong

khoảng 70-80ºC; Ngoài ra (SMER) của máy sấy được thiết kế đáng chú ý hơn các loại máy sấy thông thường liên quan đến tiết kiệm n ng lượng

7 (Phoungchandang

et al., 2009)

Tỏi và dâu trắng

Mô hình mô phỏng máy tính của quá trình sấy hút ẩm ơm nhiệt cho thấy phù hợp với kết quả thí nghiệm

8 (Aktaş et al.,

2009)

Táo Một hệ thống bao gồm sự kết hợp của cả

hai máy sấy được coi là hiệu quả hơn

1.1.3 Tổng quan nghiên cứu về sấy bằng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt

1.1.3.1 Công bố nước ngoài

Yu Qiu và các cộng sự [16] thuộc Viện Nghiên cứu N ng lượng Mặt trời, Đại học

Sư phạm Vân Nam đã xây dựng một hệ thống sấy ơm nhiệt hỗ trợ bằng n ng lượng mặt trời dựa vào lưu trữ nhiệt Ảnh hưởng của các yếu tố kinh tế khác nhau đến thời gian hoàn vốn cũng được nghiên cứu Thiết bị ay hơi, thiết bị ngưng tụ được tích hợp trong buồng sấy, bồn chứa nước được thiết lập trong hệ thống để thu hồi nhiệt hiệu quả và cải thiện việc sử dụng n ng lượng mặt trời Dựa trên tổng nhiệt lượng cần thiết 23,157 MJ để sấy 10 kg củ cải, kết quả phân tích lý thuyết cho thấy khi cường độ bức xạ trung ình hàng ngày là 0,480 kW/m2 thì hệ thống chạy ở chế độ sấy bằng n ng lượng mặt trời (SD); khi cường độ bức xạ trung ình hàng ngày dao động từ 0,430 kW/m2 đến 0,480 kW/m2 thì hệ thống chạy ở chế độ sấy bằng n ng lượng mặt trời kết hợp ơm nhiệt (SAHPD); khi cường độ bức xạ trung ình hàng ngày nhỏ hơn 0,430 kW/m2, hệ thống chạy ở chế độ sấy bằng ơm nhiệt (HPD) Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ số hiệu suất của hệ thống sấy được thay đổi từ 3,21 đến 3,49 ở chế độ SAHPD Hơn nữa, chế độ SAHPD tiết kiệm 40,53% tiêu thụ n ng lượng nhờ thu hồi nhiệt và lưu trữ nhiệt Thời gian hoàn vốn để sấy củ cải, hạt tiêu và nấm trong vòng đời của hệ thống lần lượt là 6 n m, 4 n m và 2 n m (Hình 1.17)

M.Yahya và các cộng sự [17] thuộc Khoa Công nghệ Công nghiệp, Viện Công nghệ Padang, Padang, Indonesia đã đánh giá hiệu suất của một máy sấy ơm nhiệt kết hợp n ng lượng mặt trời tích hợp với lò sinh khối để sấy ớt đỏ Ớt đỏ được sấy khô

từ 22 kg với độ ẩm 4,26 d đến độ ẩm 0,08 db cần 11 giờ, với nhiệt độ buồng sấy trung ình là 70,5°C, độ ẩm tương đối của không khí là 10,1%, lưu lượng khối lượng không khí 0,124 kg/s, trong khi phơi nắng ngoài trời cần 62 giờ So với phơi nắng ngoài trời, máy sấy này tiết kiệm 82% thời gian sấy Tốc độ sấy trung ình là khoảng 1,57 kg /h, trong khi tiêu hao điện n ng riêng khoảng 0,14 kg/kWh và hiệu suất nhiệt 9,03% Sự đóng góp nhiệt n ng của bộ thu NLMT, ơm nhiệt và lò sinh

khối lần lƣợt là khoảng 14,74%, 47,39% và 37,87% Nhiên liệu sinh học (than gáo dừa) cần trong quá trình sấy khoảng 11 kg (Hình 1.18)

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy sấy bằng n ng lƣợng mặt trời dạng

tích trữ n ng lƣợng kết hợp sấy ơm nhiệt [16]

Hình 1.18 Sơ đồ và hình ảnh thực tế của máy sấy nhiệt đƣợc kết hợp bằng n ng

lƣợng mặt trời đƣợc tích hợp với lò sinh khối[17]

Buồng sấy

1.2 Khái quát về kỹ thuật sấy vật liệu, bơm nhiệt và năng lượng mặt trời

1.2.1 Khái quát về kỹ thuật sấy

1.2.1.1 Khái niệm

Với mục đích t ng thời gian ảo quản của các nguyên vật liệu, ằng cách làm giảm lượng nước có trong nguyên vật liệu quá trình này được gọi là quá trình sấy Như vậy quá trình sấy là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy để thải vào môi trường Ẩm

có mặt trong vật liệu sẽ nhận được n ng lượng theo một phương thức nào đó tách khỏi VLS và dịch chuyển từ trong lòng vật ra ề mặt, từ ề mặt truyền vào môi trường xung quanh.Vật liệu sấy thường là nông – lâm - hải sản

1.2.1.2 Tác nhân sấy

Trong quá trình sấy cần một môi chất mang ẩm từ bề mặt vật liệu sấy thải vào môi trường được gọi chung là tác nhân sấy (TNS) Tác nhân sấy phổ biến nhất là không khí và khói lò ngoài ra còn một số chất lỏng như dầu mỏ… Nhiệt độ và tốc độ của TNS giữ vai trò quan trọng của quá trình sấy

bề mặt vật liệu sấy (VLS) ay hơi vào TNS kéo sự dịch chuyển ẩm trong lòng VLS

ra bề mặt

+ Hệ thống sấy th ng hoa: nguyên lý của HTS này là dựa vào sự th ng hoa của nước ở điểm ba thể (T < 273 k, p < 610Pa) Nước sẽ chuyển trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi mà không qua trạng lỏng

+ Hệ thống sấy chân không: khi nhiệt độ của VLS vẫn nhỏ hơn 273K nhưng áp suất lớn hơn 610 pa các phân tử nước ở thể rắn chuyển thành thể lỏng và sau đó mới chuyển thành thể hơi được TNS mang ra ngoài

+ HTS đối lưu là HTS phổ biến nhất, được phân loại theo cấu tạo

HTS buồng cấu tạo gồm buống sấy và các thiết bị đỡ vật liệu (khay sấy hoặc xe goong) HTS này có thể sấy được nhiều loại vật liệu có hình dạng khác nhau như dạng cục, hạt, thanh, tấm… Tuy nhiên n ng sấy không lớn do phải sấy từng mẻ (Hình 1.19)

HTS hầm không giống với HTS buồng, kết cấu của buồng sấy dài hơn và VLS sẽ được cấp vào ở của trước và sẽ đi ra ở của sau VLS được đặt trên các khay, xe goong, hoặc ng tải Di huyển liên tục hoặc án liên tục qua hầm sấy Do di chuyển liên tục hoặc án liên tục nên HTS này có n ng suất cao hơn rất nhiều so với HTS buồng (Hình 1.19)

HTS tháp có cấu tạo là một tháp sấy, trong đó người ta bố trí hàng loạt kênh dẫn xen kẽ kênh thải VLS đi chuyển từ trên xuống và TNS đi qua kênh dẫn xuyên qua VLS thực hiện trao đổi nhiệt ẩm với VLS rồi đi vào kênh thải và thải ra môi trường HTS này chuyên dùng để sấy vật liệu dạng hạt như thóc, ngô… và có thể hoạt động liên tục hoặc án liên tục (Hình 1.20)