Tài liệu Say mít bằng bơm nhiệt pdf

Bởi vì tác nhân sấy có độ ẩm thấp, nhiệt độ sấy thấp nên quá trình sấy xẩy ra tại nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp sấy thông thường do đó hạn chế được sự thay đổi không có lợi về

MỤC LỤC Trang

LỜI CẢM ƠN ……… 4

PHẦN MỞ ĐẦU 5

CHƯƠN G 1: LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SẤY 7

1.1 Vật liệu ẩm .7

1.1.1 Độ ẩm của vật liệu ……… 7

1.1.2 Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu 9

1.2 Quá trình đốt nóng và làm lạnh 11

1.2.1 Quá trình đốt nóng và đôt nóng tăng ẩm 11

1.2.2 Quá trình làm lạnh và làm lạnh khử ẩm 11

1.3 Các phương pháp sấy 12

1.3.1 Phương pháp sấy nóng 12

1.3.2 Phương pháp sấy lạnh 14

1.3.3 Sơ đồ thiết bị và trạng thái tác nhân sấy của hệ thống sấy lạnh …… 16

1.4 Phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt ……… 17

1.4.1 Thế sấy ……… 17

1.4.2 So sánh hai phương pháp sấy lạnh ……… 18

1.4.3 Đặc tính của quá trình sấy lạnh ……… 20

CHƯƠN G 2 : LÝ THUYẾT VỀ BƠM N HIỆT ……… 22

2.1 Khái quát về bơm nhiệt ……… 22

2.2 Nguyên lý hoạt động ……… 23

2.3 Hệ số nhiệt của bơm nhiệt 24

2.4 So sánh các phương án cấp nhiệt …… 25

2.5 Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt 27

2.6 Ứng dụng của bơm nhiệt trong nền kinh tế quốc dân …….……… 29

CHƯƠN G 3 : CÔN G N GHỆ SẤY RAU QUẢ ……… 34

3.1 Sơ lược về các sản phẩm rau quả 34

3.2 Công nghệ sấy rau quả ……… 34

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy 36

3.4 Sơ lược về quả Mít ……… ……… 37

CHƯƠN G 4 : LỰA CHỌN PHƯƠN G ÁN VÀ TÍN H TOÁN N HIỆT QUÁ TRÌN H SẤY ……… 39

4.1 Lựa chọn phương án sấy ……… 39

4.2 Chọn loại thiết bị sấy 39

4.3 Các thông số tính toán ……….……… 40

4.3.1 Vật liệu sấy ……….………….……… 40

4.3.2 Tác nhân sấy ……….………….……… 40

4.4 Tính toán kích thước buồng sấy ……… 41

4.5 Xây dựng quá trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-d 42

4.5.1 Đồ thị I-d ……… ……… 42

4.5.2 Tính toán quá trình sấy ……… 43

4.6 Xây dựng quá trình sấy thực tế trên đồ thị I-d ……….…… 46

4.6.1 Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy thực tế ………46

4.6.2 Đồ thị I-d ……… 51

4.6.3 Tính toán quá trình sấy thực tế ……… …… 52

CHƯƠN G 5 : TÍN H TOÁN THIẾT KẾ BƠM N HIỆT ……… 55

5.1 Chọn môi chất nạp và các thông số của môi chất ……… 55

5.1.1 Chọn môi chất nạp ……… … 55

5.1.2 Nhiệt độ ngưng tụ ……… …… 55

5.1.3 Nhiệt độ bay hơi ……… ……… 55

5.1.4 Nhiệt độ hơi hút ……….……… 55

5.1.5 Nhiệt độ quá lạnh ……….………… 56

5.2 Chọn và tính toán chu trình bơm nhiệt máy lạnh ……… 56

5.2.1 Chọn chu trình ……… ……… 56

5.2.2 Sơ đồ, nguyên lý làm việc ……… …… 56

5.2.3 Xây dựng đồ thị và lập bảng xác định các giá trị tại các điểm nút 57

5.2.4 Tính toán chu trình ……… ……… 58

5.3 Tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt của bơm nhiệt ……… … 59

5.3.1 Dàn ngưng (Thiết bị gia nhiệt không khí) ……… … …… 59

1 Chọn loại dàn ngưng ……… ………… 60

2 Các thông số cho trước ……… 60

3 Tính diện tích trao đổi nhiệt ……… …… 61

4 Tính các thông số cụ thể của dàn ngưng ……… ….… 65

5.3.2 Dàn bay hơi (Thiết bị làm lạnh không khí) ……… ……… … …… 65

1 Chọn loại dàn bay hơi ……… … 66

2 Các thông số cho trước ……… … … 66

3 Tính diện tích trao đổi nhiệt ……….…… …… 67

4 Tính các thông số cụ thể của dàn bay hơi ……….… … 70

5.3.3 Thiết bị hồi nhiệt ……… ….…… 71

1 Tính chọn đường kính ống ……… 72

2 Tính toán diện tích trao đổi nhiệt ……… 73

5.4 Tính chọn máy nén ……… …… … 76

5.4.1 Tính toán chu trình ở chế độ yêu cầu ……….…….… 77

5.4.2 Tính toán năng suất lạnh tiêu chuẩn ……….… 77

5.4.3 Chọn máy nén ……….……… 78

5.4.4 Tổn thất năng lượng và công suất động cơ ……….… 79

5.5 Chọn Đường ống dẫn môi chất ……… ……… …… 79

5.5.1 Đường ống đẩy ……….……… 79

5.5.2 Đường ống hút ……….… ………… 80

CHƯƠN G 6 : TÍN H TOÁN TRỞ LỰC VÀ CHỌN QUẠT ……… … 81

6.1 Tính toán đường ống dẫn tác nhân sấy ……… 81

6.2 Tính toán trở lực của hệ thống ……… 82

6.2.1 Tổn thất áp suất trên đường ống gió ……… 82

6.2.2 Tổn thất qua các thiết bị của hệ thống ……… 83

6.3 Chọn quạt ……… 84

CHƯƠN G 7 : TÍN H TOÁN THỜI GIAN HOÀN VỐN ……….85

KẾT LUẬN ……… 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 89

Lêi C¶m ¬n

Trong suốt gần năm năm học tại trường Đại học Bách Khoa Đà N ẵng, Em đã được sự dạy dỗ ân cần và giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong trường, đặc biệt là các thầy cô giáo trong khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh Em xin chân thành cảm ơn:

Toàn thể giáo viên trong trường Đại học Bách Khoa đã dạy dỗ, giúp đỡ em

trong suốt quá trình học tập

Toàn thể thầy giáo, cô giáo trong khoa Công N ghệ N hiệt - Điện Lạnh đã

cung cấp cho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập

Gia đình và bạn bè đã cổ vũ, động viên, khích lệ em trong suốt thời gian ngồi

trên giảng đường đại học

Đặc biệt, em xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo:

PGS.TS Hoàng N gọc Đồng Thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp

đỡ em trong thời gian qua để em có thể hoàn thành tốt đồ án tố nghiệp của mình

Trong quá trình tính toán, thiết kế đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô để em có thêm những kiến thức bổ ích làm hành trang bước vào đời

Đà N ẵng , Tháng 05/2007 Sinh viên thực hiện

Cao Văn Sơn

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, có bờ biển dài hơn

3000 Km, độ ẩm không khí thường trên 70%, nhiệt độ cao nhất có thể lên tới 38 oC Khí hậu nóng ẩm là điều kiện thuận lợi để nấm mốc và các loại vi sinh vật có hại phát triển làm hư hại các loại lương thực, thực phẩm, hoa quả, giống cây trồng, thuốc chữa bệnh… Bên cạnh đó, nước ta lại là một nước nông nghiệp, trình độ khoa học kỹ thuật còn lạc hậu Có nhiều địa phương do không có trang bị kỹ thuật bảo quản hoa quả, nông sản sau thu hoạch nên thường bán thốc bán tháo với giá rẻ khi mùa thu hoạch đến Có khi giá trị đạt được chỉ khoảng 20% so với giá trị thực của nó Để tránh được tình trạng đó và để đa dạng hoá các loại sản phẩm nông nghiệp, nâng cao giá trị sử dụng của sản phẩm, nâng cao thu nhập cho người nông dân, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm sau thu hoạch là một yêu cầu cần thiết trong thời gian hiện nay

Ngày nay, nhu cầu về chất lượng của sản phẩm ngày càng đòi hỏi khắt khe, đặc biệt là các loại sản phẩm cần giữ màu sắc và mùi vị như kẹo, hoa quả, thuốc chữa bệnh… Hơn nữa, trong những năm gần đây, Việt Nam đã có nhiều bước tăng trưởng mạnh về nông - lâm - ngư nghiệp Để có thể cạnh tranh được trong thời kỳ hội nhập WTO thì bắt buộc các sản phẩm sấy của chúng ta phải đảm bảo chất lượng

và uy tín cao

Với các loại rau, củ, quả, dược liệu… khi sấy ở nhiệt độ cao có thể phá huỷ các chất hoạt tính sinh học như hóc môn, màu, mùi vị, men, vitamin, protêin… và làm thay đổi chất lượng sản phẩm Vì thế, sấy lạnh bằng nguyên lý bơm nhiệt là một phương pháp bảo quản sau thu hoạch đáp ứng được những yêu cầu khắt khe về chất lượng sau khi sấy Bởi vì tác nhân sấy có độ ẩm thấp, nhiệt độ sấy thấp nên quá trình sấy xẩy ra tại nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp sấy thông thường do

đó hạn chế được sự thay đổi không có lợi về màu sắc và mùi vị tự nhiên của sản phẩm

Như vậy, việc tìm tòi và phát triển rộng rải các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh thực phẩm, nông sản sau thu hoạch, lâm sản, dược liệu là một yêu cầu cấp bách khuyến

khích phát triển nông nghiệp, chuyển đổi cơ cấu cây trồng, sản xuất các mặt hàng thay thế nhập khẩu và xuất khẩu ra thị trường thế giới, tiết kiệm năng lượng, giảm vốn đầu tư và giá thành sản phẩm

Bơm nhiệt là thiết bị nhiệt-lạnh được xem là có khả năng tiết kiệm năng lượng nhất hiện nay [10] Qua nhiều năm nghiên cứu và triển khai ứng dụng để hút ẩm và sấy lạnh thấy rằng bơm nhiệt có rất nhiều ưu điểm và rất có khả năng ứng dụng rộng rải trong điều kiện khí hậu nóng ẩm, phù hợp với thực tế Việt Nam, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật đáng kể Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những sản phẩm cần giữ trạng thái, màu mùi, chất dinh dưỡng và không cho phép sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ gió lớn [11]

Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng sấy lạnh dùng bơm nhiệt và đã có hiệu quả thực tiễn cao Tuy nhiên, chưa có tài liệu nào nói rõ việc tính toán thiết kế một hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt cụ thể Vì vậy, Em đã mạnh dạn chọn đề tài: “Thiết kế hệ thống sấy Mít nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt”

để làm đề tài tốt nghiệp cho mình

N ội dung nghiên cứu

- Lý thuyết về kỹ thuật sấy

- Lý thuyết về bơm nhiệt

- Sơ lược về công nghệ sấy hoa quả

- Tính toán thiết kế hệ thống sấy Mít sử dụng bơm nhiệt

- Tính toán kinh tế của hệ thống

- Kết luận

Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên lý thuyết trong các tài liệu, tiến hành tính toán thiết kế hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt Từ đó ta rút ra kết luận và ứng dụng của nó trong thực tiễn

Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài có thể chỉ rõ được hiệu quả của việc sử dụng bơm nhiệt trong sấy ở nhiệt

độ thấp so với hệ thống sấy nóng Trên cơ sở tính toán, ta có thể lựa chọn công suất của bơm nhiệt sao cho phù hợp với hệ thống

1.1.1 Độ ẩm của vật liệu

Các vật đem sấy đều là những vật ẩm có chứa một khối lượng chất lỏng đáng kể Trong quá trình sấy, ẩm trong vật bay hơi, độ ẩm của nó giảm Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó

G

100 [%] (1.1)

Trong đó: + Gn - khối lượng ẩm chứa trong vật liệu [kg]

+ Gk - khối lượng vật khô tuyệt đối [kg]

Trong đó: G - khối lượng vật ẩm: G = Gn + Gk [kg]

Quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm toàn phần:

u =

k

n G

Vk là thể tích của vật khô tuyệt đối, ta có:

1.1.2 Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu

Khi nghiên cứu quá trình sấy cần phải xác định các dạng tồn tại và các hình thức liên kết giữa ẩm với vật khô Vật ẩm thường là tập hợp của 3 pha: rắn, lỏng và hơi Các vật rắn đem sấy thường là các vật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn Trong

kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần rắn khô và ẩm lỏng

Diễn biến quá trình sấy các vật ẩm sẽ bị chi phối bởi các dạng liên kết ẩm trong vật Có nhiều cách phân loại các dạng liên kết ẩm trong đó cách phân loại của P.H Rôbinde được sử dụng rộng rãi hơn vì nó nêu được bản chất hình thành các dạng liên kết ẩm trong vật liệu Theo cách này, tất cả các dạng liên kết ẩm được chia thành 3 nhóm chính là: liên kết hoá học, liên kết hoá lý và liên kết cơ lý

1 Liên kết hoá học

Thể hiện dưới dạng liên kết ion hay liên kết phân tử Lượng ẩm trong liên kết hoá học chiếm tỉ lệ nhất định Liên kết ion được hình thành bởi những phản ứng hoá học rất bền vững Muốn phá vỡ các liên kết này phải dùng các phản ứng hoá học hoặc nung đến nhiệt độ rất cao Còn liên kết phân tử ta có thể quan sát qua quá trình kết tủa của các dung dịch Vật liệu khi bị tách ẩm liên kết hoá học thì tính chất của nó thay đổi Nói chung trong quá trình sấy (nhiệt độ từ 120÷150 oC) không tách được

ẩm liên kết hoá học, quá trình sấy yêu cầu giữ nguyên các tính chất hoá lý của vật

+ Liên kết thẩm thấu:

Liên kết thẩm thấu là liên kết hoá lý giữa nước và vật rắn khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hòa tan ở trong và ngoài tế bào, tức là có sự chênh lệch áp suất hơi nước Quá trình thẩm thấu không kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt và không làm cho vật biến dạng Về bản chất, ẩm thẩm thấu trong các tế bào không khác với bình thường và không chứa các chất hòa tan vì các chất hoà tan sẽ không thể khuếch tán vào trong tế bào cùng với nước

Được hình thành trong quá trình hình thành vật (ví dụ như quá trình đông đặc )

Để tách nước trong trường hợp này có thể dùng phương pháp nén ép, làm cho nước bay hơi hoặc phá vỡ cấu trúc của vật Sau khi tách nước, vật bị biến dạng nhiều, có thể thay đổi tính chất, thậm chí có thể thay đổi cả trạng thái pha

+ Liên kết mao dẫn:

Nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản, ví dụ như gỗ, vải Trong các vật thể này có

vô số các mao quản Các vật thể này khi để trong không khí, nước sẽ theo các mao quản xâm nhập vào vật thể Khi vật thể này đặt trong môi trường không khí ẩm thì hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao dẫn và theo các mao quản xâm nhập vào vật thể Tách ẩm liên kết mao dẫn bằng phương pháp làm cho ẩm bay hơi hoặc đẩy ẩm

ra bằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn Vật sau khi tách ẩm mao dẫn nói chung vẫn giữ được kích thước, hình dáng và các tính chất hoá lý

+ Liên kết dính ướt:

Được hình thành do nước bám dính vào bề mặt vật với góc dính ướt <90oC và dính ướt nhờ vào sức căng bề mặt Ẩm liên kết dính ướt được tách khỏi vật dễ dàng bằng phương pháp bay hơi, đồng thời cũng có thể tách ra bằng các phương pháp cơ

1.2 Quá trình đốt nóng và làm lạnh

1.2.1 Quá trình đốt nóng và đốt nóng tăng ẩm

1) Quá trình đốt nóng không tăng ẩm

Qúa trình này xảy ra

nhờ thiết bị trao đổi

nhiệt (calorife) trong hệ

thống sấy Giả sử không

khí tại điểm A(t0,ϕ0)

được đốt nóng không

tăng ẩm đến điểm

B(t1,ϕ1) Đặc trưng của

quá trình đốt nóng là

nhiệt độ tăng nhưng

lượng chứa ẩm d không

đổi

2) Quá trình đốt nóng tăng ẩm

Quá trình đốt nóng tăng ẩm thường được sử dụng trong kỹ thuật xử lý không khí bằng cách phun nước hoặc hơi nước có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ không khí vào không khí Chẳng hạn, không khí ở trạng thái A(t0,ϕ0 ) cần đốt nóng tăng ẩm đến trạng thái N(tn,ϕn) (tn>t0; ϕ >n ϕ0) thì quá trình đó được biểu diển trên đồ thị theo đường AN, trong đó N là giao điểm của 2 đường t = tn = const và ϕ =ϕn= const

1.3 Các phương pháp sấy

Sấy là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật Tuy nhiên, sấy là một quá trình công nghệ đòi hỏi sau khi sấy, vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn năng lượng ít và chi phí vận hành thấp Có hai phương pháp sấy:

1.3.1 Phương pháp sấy nóng

Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy và vật liệu sấy được đốt nóng Do tác nhân sấy được đốt nóng nên độ ẩm tương đối φ giảm dẫn đến phân áp suất hơi nước pam trong tác nhân sấy giảm Mặt khác do nhiệt độ của vật liệu sấy tăng lên nên mật độ hơi trong các mao quản tăng và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật cũng tăng theo công thức:

φ =

o

r p

Pr_ áp suất trên bề mặt cột mao dẫn, N/m2

Po_ áp suất trên bề mặt thoáng, N/m2

Do đó, hệ thống sấy nóng thường được phân loại theo phương pháp cung cấp nhiệt:

+ Hệ thống sấy đối lưu: Vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể nóng mà thông thường là không khí nóng hoặc khói lò Hệ thống sấy đối lưu gồm:

hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động…

+ Hệ thống sấy tiếp xúc: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng Như vậy trong hệ thống sấy tiếp xúc, người ta tạo ra độ chênh lệch áp suất nhờ tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy Hệ thống sấy tiếp xúc gồm: hệ thống sấy lô,

hệ thống sấy tang…

+ Hệ thống sấy bức xạ: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để dẫn ẩm dịch chuyển từ lòng vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường Ở đây người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường bằng cách đốt nóng vật

+ Hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường: Khi vật liệu sấy đặt trong môi trường điện từ thì trong vật xuất hiện các dòng điện

và chính dòng điện này sẽ đốt nóng vật

* Ưu điểm của phương pháp sấy nóng:

+ Thời gian sấy bằng các phương pháp sấy nóng ngắn hơn so với phương pháp sấy lạnh

+ Năng suất cao và chi phí ban đầu thấp

+ Nguồn năng lượng sử dụng cho phương pháp sấy nóng có thể là khói thải, hơi nước nóng, hay các nguồn nhiệt từ dầu mỏ, than đá, rác thải, cho đến điện năng + Thời gian làm việc của hệ thống cũng rất cao

* N hược điểm

+ Chỉ sấy được các vật sấy không cần có các yêu cầu đặc biệt về nhiệt độ

+ Sản phẩm sấy thường hay bị biến màu và chất lượng không cao

1.3.2 Phương pháp sấy lạnh

Trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy Phnhờ giảm độ chứa ẩm d Mối quan hệ đó được thể hiện theo công thức:

Ph =

d

d B

+

621,0 (1-10)

Trong đó: B: áp suất môi trường (áp suất khí trời)

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 oC) và cũng có thể nhỏ hơn 0 oC

Có thể phân loại hệ thống sấy lạnh như sau:

1 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ t > 0 o

C

Với hệ thống sấy này, nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ bằng nhiệt độ môi trường Tác nhân sấy thường là không khí Trước hết, không khí được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm hấp phụ Sau

đó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu sấy

bề mặt vật liệu sấy nên ẩm từ dạng lỏng sẽ bay hơi và đi vào tác nhân sấy Như vậy, quy luật dịch chuyển ẩm trong lòng vật liệu sấy và từ bề mặt vật vào môi trường trong các hệ thống sấy lạnh giống như các loại hệ thống sấy nóng Điều khác nhau ở đây là cách giảm phân áp suất hơi nước Ph trong tác nhân sấy Trong các hệ thống sấy nóng đối lưu người ta giảm Ph bằng cách đốt nóng tác nhân sấy (d = const) để tăng áp suất bão hoà dẫn đến giảm độ ẩm tương đối ϕ Còn các hệ thống sấy lạnh

có nhiệt độ tác nhân sấy bằng nhiệt độ môi trường chẳng hạn, người ta tìm cách giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy bằng cách giảm lượng chứa ẩm d kết hợp với quá trình làm lạnh (sau khử ẩm bằng hấp phụ) hoặc đốt nóng (sau khử ẩm bằng làm lạnh)

2 Hệ thống sấy thăng hoa

Hệ thống sấy thăng hoa là hệ thống sấy lạnh mà trong đó ẩm trong vật liệu sấy ở dạng rắn trực tiếp biến thành hơi đi vào tác nhân sấy Trong hệ thống sấy này người

ta tạo ra môi trường trong đó nước trong vật liệu sấy ở dưới điểm 3 thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu T<273 K và áp suất tác nhân sấy bao quanh vật P<610 Pa Khi

đó nếu vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng thì nước trong vật liệu sấy ở dạng rắn sẽ chuyển trực tiếp sang dạng hơi và đi vào tác nhân sấy Như vậy trong hệ thống sấy thăng hoa, một mặt ta làm lạnh vật xuống dưới 0 oC mặt khác tạo chân không xung quanh vật liệu sấy

3 Hệ thống sấy chân không

Nếu nhiệt độ vật liệu sấy vẫn nhỏ hơn 273 K nhưng áp suất tác nhân sấy bao quanh vật P>610 Pa thì khi vật liệu sấy nhận nhiệt lượng, nước trong vật liệu sấy ở dạng rắn không thể chuyển trực tiếp thành hơi để đi vào tác nhân sấy mà trước khi biến thành hơi, nước phải chuyển từ thể rắn qua thể lỏng

* Ưu điểm của phương pháp sấy lạnh

+ Các chỉ tiêu về chất lượng như màu cảm quan, mùi vị, khả năng bảo toàn vitamin C cao

+ Thích hợp để sấy các loại vật liệu sấy yêu cầu chất lượng cao, đòi hỏi phải sấy

ở nhiệt độ thấp

+ Sản phẩm bảo quản lâu và ít bị tác động bởi điều kiện bên ngoài

+ Quá trình sấy kín nên không phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường

* N hược điểm của phương pháp sấy lạnh

+ Giá thành thiết bị cao, tiêu hao điện năng lớn

+ Vận hành phức tạp, người vận hành cần có trình độ kỹ thuật cao

+ Cấu tạo thiết bị phức tạp, thời gian sấy lâu

+ Nhiệt độ môi chất sấy thường gần nhiệt độ môi trường nên chỉ thích hợp với một số loại vật liệu, không sấy được các vật liệu dể bị vi khuẩn làm hư hỏng ở nhiệt

độ môi trường như bị ôi, thiu, mốc…[15]

+ Do cuốn bụi nên có thể gây tắc tại thiết bị làm lạnh

1.3.3 Sơ đồ thiết bị và trạng thái tác nhân sấy của hệ thống sấy lạnh

Có thể tổ chức sấy ở nhiệt độ thấp theo sơ đồ hồi lưu tuần hoàn Ta xét các sơ đồ sau:

Sơ đồ 1

N guyên lý

Tác nhân sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy được dẫn qua máy hút ẩm để khử bớt

ẩm Thường quá trình khử ẩm, do chất hấp phụ phải liên tục hoàn nguyên nên quá trình khử ẩm là quá trình d giảm, nhiệt độ tăng Trên đồ thị I-d biểu diễn bởi đường

C0A Không khí ở trạng thái A xác định bởi cặp thông số (d1,t1), được làm lạnh đến trạng thái B xác định bởi cặp thông số (d1,t0) Tác nhân sấy ở trạng thái B có nhiệt

độ và độ ẩm tương đối ϕ1 rất bé được đưa vào thiết bị sấy để thực hiện quá trình sấy đẳng nhiệt BC

Sơ đồ 2

N guyên lý:

Tác nhân sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy được làm lạnh khử ẩm theo quá trình

C0A1A2 Không khí ở trạng thái C0 có nhiệt độ t0 và lượng chứa ẩm d2 được làm lạnh đẳng ẩm (d2 = d = const) đến trạng thái bảo hoà A1 Không khí ở trạng thái A1

được tiếp tục làm lạnh Khi đó hơi nước trong không khí sẽ ngưng tụ một phần Giả

sử trạng thái A2 có thông số (d1,t1) và ta có: d1<d2; t1<t0 (trên I-d) Không khí ở trạng thái bảo hoà A2 được đốt nóng đẳng dung ẩm d = d1 = const đến nhiệt độ môi trường t0 theo quá trình A2B trong bộ đốt nóng Tác nhân sấy ở trạng thái B có nhiệt

độ t0 nhưng độ ẩm tương đối ϕ1 rất bé được đưa vào thiết bị sấy để thực hiện quá trình sấy đẳng nhiệt BC0

1.4 Phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt

1.4.1 Thế sấy

Trong quá trình sấy, để có thể hấp thụ được ẩm trong vật, tác nhân sấy cần phải

có thế sấy lớn Tức là phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy tại bề mặt vật sấy nhỏ hơn phân áp suất của hơi nước trong vật, nhờ đó ẩm sẽ thoát ra khỏi vật và được tác nhân sấy hấp thụ Đối với tác nhân sấy là không khí, để làm được điều đó thì độ ẩm tương đối của không khí phải nhỏ Trong công nghệ sấy lạnh, người ta tập trung làm giảm dung ẩm của không khí, nhưng đồng thời cũng yêu cầu nhiệt độ phải nhỏ hơn nhiệt độ môi trường [6] Không khí được hút ẩm, độ chứa hơi giảm làm cho độ

ẩm tương đối giảm (nhiệt độ có thể không đổi) dẫn đến nhiệt độ nhiệt kế ướt giảm tức là làm tăng độ chênh ∆t = tk – tu Trị số ∆t tăng sẽ tăng cường truyền nhiệt từ không khí tới vật làm cho ẩm bốc hơi thoát vào không khí dưới tác động của chênh lệch phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật và không khí

1.4.2 So sánh hai phương pháp sấy lạnh

1 Thiết bị bài ẩm chuyên dụng

Để hút ẩm đến độ ẩm nhỏ và sấy lạnh, lâu nay chúng ta hay dùng máy bài ẩm – tên gọi tiếng Việt để chỉ máy hút ẩm chuyên dùng kiểu hấp phụ [8] Sơ đồ cấu tạo của hệ thông như hình vẽ:

N guyên lý:

Không khí ẩm được cho đi qua một khối chất hấp phụ chế tạo ở dạng bánh xe quay Ẩm trong không khí được hấp thụ Sau khi hấp thụ ẩm, phần bánh chất hấp phụ ẩm quay sang phía có dòng không khí nóng đi qua (không khí nóng này được gia nhiệt bởi một dàn điện trở) và được hoàn nguyên – khôi phục được khả năng hút

ẩm Phần bánh chất hấp phụ hoàn nguyên trao đổi nhiệt với dòng không khí nóng nên sau khi hoàn nguyên nhiệt độ của nó tương đối cao Do vậy khi hấp thụ ẩm trở lại, nhiệt độ dòng không khí cũng cao do trao đổi nhiệt với phần bánh hấp phụ nóng Không khí khô vì vậy cần được đưa qua một máy lạnh để đưa nhiệt độ không khí đến nhiệt độ cần thiết cho quá trình sấy Sau đó dòng khí khô nhiệt độ thấp sẽ

:#;2<

7#=

+45

:#;2<!7#= 7#;!>.?!>8@AB

<$.95!2#$%1'!>;A :#;2<!<$.2!B+C2!#3/'!+45

D.E2!0.E5!2F/2<!7#;2<!7#=

:#;2<!7#=!7#;

G./2#!B#+&'!#+&H!H#31 :#;2<!7#=!+45

thành không khí ẩm Dòng khí ẩm quay trở về thiết bị bài ẩm Đấy là một chu kì làm việc của thiết bị.[6]

Máy bài ẩm có ưu điểm là khả năng hút ẩm lớn, năng suất hút ẩm khá cao Tuy nhiên nó còn có nhiều nhược điểm:

+ Tiêu hao năng lượng lớn (cho hoạt động của dàn điện trở và máy lạnh) làm cho chi phí sử dụng cao

+ Chất hấp phụ sau một thời gian hoạt động sẽ cần được thay thế, mà chất hấp phụ này thường phải nhập ngoại nên làm cho chi phí bảo dưỡng cao

+ Giá thành thiết bị lớn, ngoài máy hút ẩm ra còn kết hợp với máy lạnh nên chi phí đầu tư ban đầu cao

+ Trong điều kiện làm việc nhiều bụi thì máy phải có thời gian ngừng hoạt động

để làm sạch cho chất hấp phụ của máy hút ẩm

2 Thiết bị bơm nhiệt

N guyên lý:

Không khí ẩm được đưa qua dàn lạnh Tại đây, ẩm trong không khí được ngưng

tụ lại trên dàn lạnh Do vậy, dung ẩm trong không khí giảm xuống nhưng nhiệt độ của nó cũng giảm nên độ ẩm tương đối cao Sau đó dòng khí lại tiếp tục được đưa qua dàn nóng Tại đây, dòng khí được sấy nóng đẳng dung ẩm làm cho độ ẩm tương đối của nó giảm xuống.[6]

* Ưu điểm của phương pháp:

+ Giảm chi phí cho thiết bị, chi phí cho vận hành và bảo dưỡng

+ Quá trình hoạt động của thiết bị không bị gián đoạn do không phải thay thế chất hấp phụ như trong máy bài ẩm chuyên dụng

+ Tuổi thọ thiết bị cao, trong khoảng thời gian 10 năm, thiết bị hầu như không cần đòi hỏi bảo dưỡng Chỉ cần sau một thời gian làm việc, ta vệ sinh các dàn để đảm bảo điều kiện trao đổi nhiệt

+ Điện năng sử dụng cũng thấp hơn nhiều so với phương pháp dùng máy bài ẩm + Chất lượng và màu sắc của vật sấy được giữ tốt hơn, thích hợp để sấy khô các loại vật phẩm không chịu được nhiệt độ cao

* Nhược điểm của phương pháp:

+ Thời gian sấy thường lâu hơn so với các phương pháp sấy khác Để khắc phục nhược điểm này ta có thể dùng thiết bị sấy với tốc độ cao

+ Chỉ sấy được ẩm tự do, việc sấy ẩm liên kết là rất khó khăn.[15]

1.4.3 Đặc tính quá trình sấy lạnh

Khi sấy lạnh, nhiệt độ

và độ ẩm không khí cuối

quá trình sấy đều nhỏ

hơn các giá trị tương

ứng của môi trường

Quá trình làm việc của

bơm nhiệt sấy lạnh xẩy

mà phải có máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh mới thực hiện được

Trong các quá trình này thì quá trình làm khô không khí 2-3 ở dàn bay hơi của bơm nhiệt có vai trò đặc biệt quan trọng quyết định hiệu quả của toàn bộ quá trình gia nhiệt không khí ở dàn ngưng 3-1 và quá trình sấy sản phẩm trong buồng sấy 1-2

Ở đây, 2-3 là quá trình thực làm lạnh hổn hợp không khí-nước hay quá trình làm

lạnh khử ẩm của không khí Quá trình này không diễn biến theo quy luật đường thẳng mà theo quan hệ đường cong lõm với độ dốc lớn nhất ở đầu quá trình làm lạnh Sở dĩ như vậy là do trạng thái không khí nhận được là hỗn hợp của 2 dòng không khí: dòng thứ nhất truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt khi tiếp xúc trực tiếp với dàn lạnh và có nhiệt độ gần nhiệt độ bề mặt; dòng thứ hai không tiếp xúc trực tiếp với dàn lạnh nên có nhiệt độ cao hơn Hai dòng này trộn lẫn với nhau nên nhiệt độ không khí xử lý ở mọi vị trí của dàn lạnh theo hướng chuyển động của nó đều có thể xem là nhiệt độ của hổn hợp[8] Quá trình lý thuyết làm lạnh hổn hợp này từ nhiệt độ t2 của không khí sau buồng sấy tới nhiệt độ t3 của không khí sau dàn lạnh là

22s3’ Tuy nhiên, trong thực tế sẽ có sự sai khác giữa điểm 3’(không khí bão hoà)

và điểm 3 (không khí chưa bão hoà) [11]

Chương 2

LÝ THUYẾT VỀ BƠM N HIỆT

2.1 Khái quát về bơm nhiệt

Năm 1852, Thomson (Lord Kelvin) sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên của thế giới Song song với kỹ thuật lạnh, bơm nhiệt có bước phát triển của riêng mình Những thành công lớn nhất của bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940 khi hàng loạt bơm nhiệt công suất lớn được lắp đặt thành công ở nhiều nước châu Âu để sưởi ấm, đun nước nóng và điều hoà không khí.[12]

Từ khi xẩy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cở cho các ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị trường Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa không khí, sấy, hút ẩm, đun nước…

Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt

Hình a: Sơ đồ thiết bị Hình b: Sơ đồ 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

qk: Nhiệt lượng thải ra ở dàn ngưng tụ

2.2 N guyên lý hoạt động

Bơm nhiệt là một thiết bị dùng để bơm một dòng nhiệt từ mức nhiệt độ thấp lên mức nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt Để duy trì bơm nhiệt hoạt động cần tiêu tốn một dòng năng lượng khác (điện hoặc nhiệt năng) Như vậy máy lạnh cũng là một loại bơm nhiệt và có chung một nguyên lý hoạt động Các thiết bị của chúng là giống nhau Người ta chỉ phân biệt máy lạnh với bơm nhiệt ở mục đích

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 nên bơm nhiệt hoạt động ở cấp nhiệt độ cao hơn

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

1 – 2: quá trình nén hơi môi chất từ áp suất thấp, nhiệt độ thấp lên áp suất cao và nhiệt độ cao trong máy nén hơi Qúa trình nén là đoạn nhiệt

2 – 3: quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, thải nhiệt cho môi trường

3 – 4: quá trình tiết lưu đẳng 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 đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp, thu nhiệt của

môi trường lạnh

Mục đích sử dụng chính của bơm nhiệt là lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ

4

3T

1S

3

i

2 2

lgP

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

qk = qo + l Hiện nay, người ta chế tạo nhiều loại bơm nhiệt làm việc theo nhiều nguyên lý khác nhau như bơm nhiệt hấp thụ, bơm nhiệt nén khí, bơm nhiệt nén hơi, bơm nhiệt nhiệt điện Nói chung, hiện nay tất cả các loại bơm nhiệt đều được sử dụng nhưng được sử dụng rộng rãi nhất vẫn là bơm nhiệt nén hơi

Ngoài bốn loại bơm nhiệt nói trên chúng còn được ghép lại với nhau nhằm đạt hiệu quả nhất định Ví dụ bơm nhiệt hấp thụ - nén hơi nhằm mục đích tăng nhiệt độ ngưng tụ, qua đó tăng nhiệt độ chất tải nhiệt Nguyên lý hoạt động chủ yếu như máy lạnh hấp thụ 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 đưa nhiệt

độ ngưng tụ cao lên theo, và hệ số nhiệt của nó tăng lên đáng kể

2.3 Hệ số nhiệt của bơm nhiệt

Để đánh giá hiệu quả chuyển hóa năng lượng, ta dùng hệ số nóng (hệ số bơm nhiệt) với định nghĩa: hệ số nóng ϕ là nhiệt lượng môi chất thải cho nguồn nóng ứng với một đơn vị công hổ trợ và được biểu thị bằng:

ϕ = = 0 + =ε +1

l

l q l

q k

(2-1)

Nếu sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp thì hiệu quả kinh tế còn cao hơn nhiều

vì chỉ cần tiêu tốn một dòng năng lượng l ta được cả năng suất lạnh q0 và năng suất nhiệt qk như mong muốn Gọi ϕε là hệ số nhiệt lạnh của bơm nhiệt nóng lạnh thì:

Như vậy hệ số nhiệt của bơm nhiệt là đại lượng luôn lớn hơn 1 Do đó ứng dụng

của bơm nhiệt bao giờ cũng có lợi về nhiêt Hệ số nhiệt của bơm nhiệt đóng vai trò

quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt

Hệ số nhiệt thực của bơm nhiệt ϕ nhỏ hơn hệ số nhiệt lý thuyết tính theo chu trình Cácnô ϕc

c

ϕυ

ϕ = (2-3) Với hai nguồn nóng - lạnh có nhiệt độ Tk và T0, theo chu trình Cácnô ta có:[4]

T T

T k

T k

k

−

= υ

ϕ (2-5)

Trong đó υ là hiệu suất execgi hay hệ số hoàn nhiệt của chu trình thực

Dựa vào phương trình trên ta thấy hệ số nhiệt lý thuyết có thể tính theo chu trình Cácnô phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ của dàn ngưng tụ và dàn bay hơi Để bơm nhiệt đạt hiệu quả kinh tế cao thì thường người ta phải chọn hiệu nhiệt độ ∆T sao cho hệ

số nhiệt thực tế của bơm nhiệt phải đạt từ 3 đến 4 trở lên, nghĩa là hiệu nhiệt độ phải nhỏ hơn 60K Cũng chính vì lý do đó mà chỉ trong những trường hợp đặc biệt người

ta mới sử dụng hai cấp nén Đó chính là sự khác biệt quan trọng giữa bơm nhiệt và máy nén.[12]

2.4 So sánh các phương án cấp nhiệt

Để thấy rõ hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt ta có thể so sánh một số phương

án trên sơ đồ cấp nhiệt từ nguồn năng lượng sơ cấp đến nơi tiêu thụ Nguồn năng lượng sơ cấp là than, dầu mỏ và khí thiên nhiên… Ở nước ta nguồn năng lượng sơ cấp chủ yếu là than đá nên ta lấy than đá cho những ví dụ về cấp nhiệt Ví dụ ta cần cấp nhiệt cho lò sấy từ 70 đến 100 oC, nghĩa là nhiệt độ đó phù hợp với khả năng của bơm nhiệt

70% hao hụt ở nhà máy điện – 3% hao hụt trên đường tải điện Hiệu suất thực tế là 27%

+ Phương án 2:

Nếu sử dụng than để đốt lò hơi, cung cấp nhiệt cho hầm sấy bằng hơi nước thì hiệu suất sử dụng than như sau: 100% than sản xuất ở mỏ – 6% hao hụt khi vận chuyển bốc dở – 50% hao hụt ở lò hơi Hiệu suất thực tế là 44%

+ Phương án 3:

Các điều kiện như trong phương án 1, nhưng không sử dụng trực tiếp năng lượng điện qua các bộ đốt điện trở mà sử dụng qua bơm nhiệt nén hơi Với hệ số nhiệt của bơm nhiệt ϕ = 3 – 4 tùy theo ∆T, Sp cũng tăng lên gấp 3 - 4 lần

NO2<!

08@A2<!

*@!B+&H

NO2<! 08@A2<!

#893!

=B#

PQQ '#.2!

'#./B!@9!5F9

XQS!';42!'#+&'!@9!

0FE!#@$

+ Phương án 4:

Giống như phương án 2 nhưng năng lượng hữu ích 44% đó không sử dụng trực tiếp ngay cho hầm sấy mà sử dụng qua một bơm nhiệt hấp thụ Theo kinh nghiệm, bơm nhiệt có hệ số ϕ ≈A 1,4 Như vậy năng lượng hữu ích sẽ tăng lên 1,4 lần: Sp,A= 1,4.44% ≈ 62%

Phương án 5:

Sử dụng than đốt cho buồng sấy trực tiếp qua thiết bị trao đổi nhiệt thì năng lượng hữu ích là 100% trừ đi 6% tổn thất vận chuyển, 32% cho thiết bị biến đổi năng lượng tại chổ Vậy Sp= 62%

2.5 Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt

'#./B!@9!5F9

NO2<!

08@A2<!

*@!B+&H

độ nhiệt độ cao của điều hòa không khí, nghĩa là cho đến may người ta vẫn sử dụng các loại môi chất như: R12, R22, R502 và MR cho máy nén tuabin Gần đây người

ta chú ý đến việc sử dụng các môi chất mới cho bơm nhiệt nhằm nâng cao nhiệt độ dàn ngưng như: R21, R113, R114, R12B1, R142…

2) Máy nén lạnh

Cũng như máy nén lạnh, máy nén là bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt Tất

cả các dạng máy nén của máy lạnh đều được ứng dụng trong bơm nhiệt Đặc biệt quan trọng là máy nén piston trượt, máy nén trục vít và máy nén tuabin Một máy nén bơm nhiệt cần phải chắc chắn, tuổi thọ cao, chạy êm và cần phải có hiệu suất cao trong điều kiện thiếu hoặc đủ tải

3) Các thiết bị trao đổi nhiệt

Các thiết bị trao đổi 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 bao gồm các dạng: ống chùm, ống lồng ngược dòng, ống đứng và ống kiểu tấm Các phương pháp tính toán cũng giống như chế độ điều hoà nhiệt độ

4) Thiết bị phụ của bơm nhiệt

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

bị cao hơn Đây cũng là vấn đề đặt ra đối với dầu bôi trơn và đệm kín các loại trong

hệ thống

Do bơm nhiệt phải hoạt động ở chế độ áp suất và nhiệt độ gần sát với giới hạn tối

đa nên các thiết bị tự động rất cần thiết và phải hoạt động với độ tin cậy cao để phòng hư hỏng thiết bị khi chế độ làm việc vượt quá giới hạn cho phép

Đối với van tiết lưu, bơm nhiệt có chế độ làm việc khác máy lạnh nên cũng cần

có van tiết lưu phù hợp

5) Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt

Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt là những thiết bị hổ 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 động lực của máy nén như: động cơ điện, động cơ gas, động cơ

diesel hoặc động cơ gió…

+ Các phương án sử dụng nhiệt thu ở dàn ngưng tụ Nếu là sưởi ấm thì có thể sử dụng dàn ngưng trực tiếp hoặc gián tiếp qua một vòng tuần hoàn chất tải nhiệt, có thể sử dụng để sấy, nấu ăn, hút ẩm…Mỗi phương án đòi hỏi những thiết bị hổ trợ khác nhau

+ Các phương án cấp nhiệt cho dàn bay hơi Trường hợp sử dụng dàn lạnh đồng thời với nóng thì phía dàn bay hơi có thể là buồng lạnh hoặc chất tải lạnh Ngoài ra còn có thể sử dụng dàn bay hơi đặt ngoài không khí, dàn bay hơi sử dụng nước giếng là môi trường cấp nhiệt Còn có những phương án như dàn bay hơi đặt ở dưới nước, đặt ở dưới đất hoặc sử dụng năng lượng mặt trời

+ Các thiết bị điều khiển, kiểm tra tự động sự hoạt động của bơm nhiệt và các thiết bị hổ trợ Đây là những thiết bị tự động điều khiển các thiết bị phụ trợ ngoài bơm nhiệt để phù hợp với hoạt động của bơm nhiệt

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

Như đã trình bày, bơm nhiệt có thể được ứng dụng trong tất cả các cơ sở có nhu cầu năng lượng ở khoảng nhiệt độ thấp từ 40 – 80 0C hoặc có thể cao đến 115 – 120

0C Nếu như nhu cầu về nóng lạnh tương đối ăn khớp nhau thì hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt 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 của bơm nhiệt ϕ phụ thuộc rất nhiều vào hiệu nhiệt độ của dàn ngưng và dàn bay hơi Ngoài ra, muốn bơm nhiệt đạt hiệu quả cao thì nhu cầu về nóng lạnh phải liên tục và ổn định để thời gian hoàn vốn của thiết bị là thấp nhất

Sau đây là một số ứng dụng cụ thể của bơm nhiệt:

2.6.1 Ứng dung bơm nhiệt trong công nghiệp sấy, hút ẩm

Bơm nhiệt hút ẩm có cấu tạo như hình vẽ trang bên

Hình a: Bơm nhiệt hút ẩm Hình b:Trạng thái không khí khi

đơn giản qua khử ẩm ở bơm nhiệt hút ẩm

1 - Máy nén; 2 - Dàn ngưng; A - Trước dàn bay hơi

3 - Tiết lưu; 4 – Dàn bay hơi; B – Sau dàn bay hơi

5 - Quạt gió; 6 – Khay hứng nước; C – Sau dàn ngưng

bên được bọc kín để không khí chỉ có thể đi theo một hướng từ dàn bay hơi ra phía

dàn ngưng tụ Không khí được hút qua bơm nhiệt nhờ quạt hướng trục 5 Không khí

trong phòng đầu tiên đi qua dàn bay hơi với trạng thái ban đầu ở điểm A có độ ẩm

tương đối ϕ1 và nhiệt độ t1 Khi vào dàn bay hơi, nhiệt độ giảm xuống, độ ẩm tương

đối tăng lên đến trạng thái bảo hoà Một phần ẩm ngưng tụ lại chảy xuống khay bên

dưới Không khí sau khi ra khỏi dàn bay hơi ở trạng thái B với ϕ= 100% Sau đó

không khí đã khử ẩm đi qua dàn ngưng tụ, nhận nhiệt và nhiệt độ tăng lên t2, độ ẩm

tương đối giảm xuống ϕ <2 ϕ1 Hình b biểu diễn trạng thái không khí trên đồ thị I –

d Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn ngưng bao giờ cũng lớn hơn vì phải nhận thêm

nhiệt do công của máy nén sinh ra và hơi nước ngưng tụ lại ở dàn bay hơi Nếu yêu

cầu nhiệt độ thấp hơn ta có thể có phương án sử dụng một phần nhiệt lượng dàn

ngưng vào mục đích khác Một máy hút ẩm như vậy có thể đặt những nơi cần thiết

giảm độ ẩm không khí xuống như phòng ở, phòng làm việc, buồng phơi quần áo,

mốc, nấm như các hàng mây tre, sơn mài, cói, các mặt hàng công nghệ phẩm, nông lâm hải sản xuất khẩu….Đối với nước ta, một nước khí hậu nóng ẩm, nấm mốc và

vi sinh vật phát triển rất nhanh làm hư hỏng và làm giảm chất lượng hầu hết tất cả các mặt hàng công, nông, lâm, ngư nghiệp đặc biệt là các mặt hàng xuất khẩu gây tổn thất về kinh tế không nhỏ Nếu ứng dụng được bơm nhiệt vào công nghiệp sấy

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

2.6.2 Bơm nhiệt ứng dụng trong công nghiệp chưng cất, bay hơi, cô đặc

Bơm nhiệt chu trình hở được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chưng cất, tách chất, bay hơi cô đặc Sau đây ta giới thiệu một số ví dụ về ứng dụng của bơm nhiệt trong lĩnh vực này

Sơ đồ hình 1 giới thiệu bơm nhiệt chu trình hở để bay hơi cô đặc Bán thành phẩm A được làm nóng sơ bộ qua hai thiết bị trao đổi nhiệt 4 và 5 rồi đi vào tháp bay hơi kiểu ống đứng, nhận nhiệt của hơi nén có nhiệt độ cao khi ngưng tụ do máy nén tuabin 1 nén vào, sau đó được đưa xuống bộ tách lỏng 3 Hơi B được máy nén hút và nén lên đến áp suất cao đưa trở lại tháp bay hơi 2 Thành phẩm chảy qua thiết

bị trao đổi nhiệt 5 ra ngoài Nước ngưng hoặc lỏng ngưng tụ C được đưa qua trao đổi nhiệt 4 ra ngoài

ab2#!Pc!G@5!2#$%1'!

B#3!'Tb2#!#@9!>%4!(.,!

#@$!B;!>O1BP!Z!-./,!2M/2d!

W!Z!"T.F!>;4$!2#$%1'

R!Z!Gb2#!'./B#!#@$d!YeX!

Z!"T.F!>;4$!2#$%1'fc!G./2!'#.E2#!H#+45!

^.EFGc!a@$!28@/B!#FO1B!

` Y W

R G f

P

Hình 2 giới thiệu một thiết bị cô đặc cũng bằng chu trình hở nhưng thiết bị bố trí gọn hơn Bán thành phẩm cần cô đặc (đồ uống, hoá chất, dược phẩm…) được đưa vào thùng sấy và cho chảy tưới lên trên bề mặt ngoài của thiết bị ngưng tụ hơi nước

để nhận nhiệt của hơi nước ngưng tụ Hơi nước sinh ra sẽ được máy nén hút về và nén lên áp suất cao rồi đẩy vào bình ngưng tụ hơi nước Như vậy nhiệt lượng cần thiết để bay hơi chính do nhiệt lượng hơi do máy nén hút ra cung cấp Người ta chỉ

cần tiêu tốn một năng lượng nhỏ để duy trì máy nén hoạt động mà thôi Quá trình

cứ thế lặp đi lặp lại cho đến khi nào đạt được nồng độ yêu cầu Năng lượng tiêu hao cho một kg ẩm giảm từ 2790 kJ/kg ẩm đối với phương pháp cô đặc cổ điểm giảm xuống còn khoảng 70 kJ/kg ẩm Khi dùng bơm nhiệt chu trình hở, rõ ràng hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt chu trình hở trong công nghiệp cô đặc là rất to lớn

Tuy vậy, bơm nhiệt cho chu trình hở cũng có những nhược điểm:

- Khó vận hành với dung dịch đặc, chỉ phù hợp với dung dịch loãng

- Khó hoặc không thể vận hành được với dung dịch có độ nhớt quá cao

- Tỉ số nén ở máy nén thường rất cao khi nhiệt độ bay hơi thấp

Đối với công nghiệp chưng cất người ta có thể sử dụng bơm nhiệt với hiệu quả kinh tế cao Thường trong các tháp chưng cất dầu mỏ, hoá chất, bia rượu… người ta phải gia nhiệt ở đáy tháp và làm mát ở đỉnh tháp Hiệu nhiệt độ giữa đỉnh tháp và đáy tháp không cao lắm Ứng dụng bơm nhiệt ở đây, người ta bố trí dàn bay hơi ở

"#.E2#!H#+45

G./2!'#.E2#!

H#+45

! Gb2#!

phía đỉnh tháp để làm ngưng tụ chất dể bay hơi, còn đặt dàn ngưng ở phía đáy tháp

để gia nhiệt cho dung dịch khó bay hơi

2.6.3 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm

Công nghiệp chế biến thực phẩm cũng là lĩnh vực có khả năng sử dụng bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh với hiệu quả kinh tế cao vì hầu hết các ngành chế biến thực phẩm như thịt, cá, bơ, sữa, bánh kẹo, đồ hộp…đều cần lạnh để bảo quản và cần nước nóng để đun, nấu, tẩy rửa, vệ sinh, diệt khuẩn…

Trước đây, trong một xí nghiệp thực phẩm thường có các kho lạnh để bảo quản

và các nồi hơi để cấp nhiệt cho quy trình công nghệ sản xuất, chế biến

Ngày nay, các nước tiên tiến trên thế giới đều sử dụng bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh để cấp nhiệt và cấp lạnh với hiệu quả kinh tế cao

Nhiều xí nghiệp đã cải tạo lại hệ thống lạnh để đồng thời sử dụng cả hai nguồn nóng và lạnh, tránh lãng phí nguồn nhiệt bị bỏ phí trước đây ở thiết bị ngưng tụ Nói chung, ngoài công nghiệp thực phẩm và các ứng dụng đã nêu, bơm nhiệt có thể ứng dụng cho mọi ngành, mọi nơi có yêu cầu năng lượng nhiệt ở nhiệt độ thấp như sấy, sưởi ấm, chuẩn bị nước nóng…

Chương 3 CÔN G N GHỆ SẤY RAU QUẢ

3.1 Sơ lược về các sản phẩm rau quả

Các sản phẩm rau quả ở Việt Nam rất phong phú và đa dạng Tuỳ vào từng mùa, từng vùng, quá trình canh tác sẽ có nhiều loại khác nhau

Một số tính chất của rau quả liên quan đến quá trình sấy:

Trong quá trình sấy rau quả xảy ra một loạt biến đổi hóa sinh, hóa lý, cấu trúc cơ học và các biến đổi bất lợi khác làm ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm Những biến đổi cơ học bao gồm sự biến dạng, nứt, cong queo, biến đổi độ xốp Hàm lượng vitamin trong rau quả sấy thường thấp hơn trong rau quả tươi vì chúng bị phá hủy một phần trong quá trình sấy và xử lý trước khi sấy

Để tránh hoặc làm chậm các biến đổi không thuận nghịch ấy, cũng như tạo điều kiện để ẩm thoát ra khỏi rau quả một cách dễ dàng, cần có chế độ sấy thích hợp cho từng loại sản phẩm

3.2 Công nghệ sấy rau quả

Sấy rau quả thường được thực hiện dưới ba dạng: nguyên dạng, lát mỏng, tinh bột hoặc nhũ tương Tuỳ theo hình thức sản phẩm, công nghệ sấy rau quả có thể thực hiện theo sơ đồ sau:(Hình 1.1)

Công đoạn chần, hấp nhằm tạo những biến đổi hoá lý thuận lợi cho quá trình sấy sau này Dưới tác dụng của hơi nước, các vi sinh vật bị tiêu diệt, các hệ thống enzim mất hoạt tính, hạn chế tối đa khả năng biến màu trong khi sấy rau quả Những sản

phẩm nhiều tinh bột khi chần sẽ làm hồ hoá tinh bột, phá vỡ cân bằng bên trong tế

bào dẫn đến sự thay đổi cấu trúc hệ thống có lợi cho quá trình trao đổi nhiệt lúc sấy

Xử lý hoá chất nhằm hạn chế quá trình oxy hoá làm biến màu hoa quả khi sấy Các chất chống oxy hoá thường được sử dụng là: axit sunfurơ, ascobic, xitric và các muối Natri của axit phốtphoric sunfurơ

H ình 1.1 Sơ đồ công nghệ sấy rau quả

Trong kỹ thuật sấy màng bọt, cho chất nhũ tương hoà vào nước quả hay purê với

tỉ lệ 0,5-1% Chất hồ sẽ làm tăng khả năng tạo bọt màng mỏng làm tăng gấp bội bề mặt trao đổi nhiệt ẩm dẫn đến làm tăng khả năng bốc ẩm mà chất lượng ban đầu không bị biến đổi mấy Các chất sinh nhũ tương được dùng phổ biến như: mono-stearat của glyxerin, của sacaraza và của saboza

Cô đặc

!ấyNghiền nhỏ

Thành phẩm dạng bột

Bao gói

Ép bánh

Thành phẩm dạng nguyên Bao gói

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

1 N hiệt độ sấy

Yếu tố ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm rau quả khô là nhiệt độ sấy Nếu nhiệt độ sản phẩm trong quá trình sấy cao hơn 60 oC thì prôtêin bị biến tính Nếu trên 90 oC thì fruetoza bắt đầu bị caramen hoá, các phản ứng tạo ra mebanoizin, polime hoá hợp chất cao phân tử xảy ra mạnh và ở nhiệt độ cao hơn nữa rau quả

có thể bị cháy Rau quả đòi hỏi có chế độ sấy ôn hoà (nhiệt độ thấp) Nếu loại rau quả ít thành phần protêin thì nhiệt độ đốt nóng sản phẩm có thể lên đến 80-90 oC Nếu tiếp xúc nhiệt trong thời gian ngắn như sấy phun thì nhiệt độ sấy có thể lên đến

150 oC Đối với sản phẩm không chần như chuối, đu đủ thì có thể sấy nhiệt độ cao, giai đoạn đầu 90-100 oC, sau đó giảm dần xuống

Quá trình sấy còn phụ thuộc vào tốc độ tăng nhiệt của vật liệu sấy Nếu tốc độ tăng nhiệt quá nhanh thì bề mặt mặt quả bị rắn lại và ngăn quá trình thoát ẩm Ngược lại, nếu tốc độ tăng chậm thì cường độ thoát ẩm yếu

2 Độ ẩm không khí

Muốn nâng cao khả năng hút ẩm của không khí thì phải giảm độ ẩm tương đối của nó xuống Có 2 cách làm giảm độ ẩm tương đối của không khí:

- Tăng nhiệt độ không khí bằng cách dùng calorife

- Giảm nhiệt độ không khí bằng cách dùng máy hút ẩm

Thông thường khi vào lò sấy, không khí có độ ẩm 10 - 13% Nếu độ ẩm của không khí quá thấp sẽ làm rau quả nứt hoặc tạo ra lớp vỏ khô trên bề mặt, làm ảnh hưởng xấu đến quá trình thoát hơi ẩm tiếp theo Nhưng nếu độ ẩm quá cao sẽ làm tốc độ sấy giảm

Khi ra khỏi lò sấy, không khí mang theo hơi ẩm của rau quả tươi nên độ ẩm tăng lên (thông thường khoảng 40 - 60%) Nếu không khí đi ra có độ ẩm quá thấp thì sẽ tốn năng lượng; ngược lại, nếu quá cao sẽ dễ bị đọng sương, làm hư hỏng sản phẩm sấy Người ta điều chỉnh độ ẩm của không khí ra bằng cách điều chỉnh tốc độ lưu thông của nó và lượng rau quả tươi chứa trong lò sấy

3 Lưu thông của không khí

Trong quá trình sấy, không khí có thể lưu thông tự nhiên hoặc cưỡng bức Trong các lò sấy, không khí lưu thông tự nhiên với tốc độ nhỏ (nhỏ hơn 0,4m/s), do vậy thời gian sấy thường kéo dài, làm chất lượng sản phẩm sấy không cao Để khắc phục nhược điểm này, người ta phải dùng quạt để thông gió cưỡng bức với tốc độ trong khoảng 0,4 - 4,0 m/s trong các thiết bị sấy Nếu tốc độ gió quá lớn (trên 4,0 m/s) sẽ gây tổn thất nhiệt lượng

4 Độ của lớp sấy

Độ dày của lớp rau quả sấy cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy Lớp nguyên liệu càng mỏng thì quá trình sấy càng nhanh và đồng đều, nhưng nếu quá mỏng sẽ làm giảm năng suất của lò sấy Ngược lại, nếu quá dày thì sẽ làm giảm sự lưu thông của không khí, dẫn đến sản phẩm bị "đổ mồ hôi" do hơi ẩm đọng lại

Thông thường nên xếp lớp hoa quả trên các khay sấy với khối lượng 5 – 8 kg/m2

là phù hợp

3.4 Sơ lược về quả Mít

Mít là loại cây gỗ to, cao 15÷ 20m (có

thể hơn) Cành non có lông mềm gồm

nhiều hoa, bao hoa hình ống có hai phiến

dính nhau ở hai đầu, nhị có bao phấn

rộng, cụm hoa cái mọc trên thân hoặc

cành già, hình bầu dục, có nhiều hoa, bao

hoa hình trụ Quả mít là quả phức to hình

bầu dục, vỏ ngoài có nhiều gai nhọn gồm

nhiều quả thịt mềm, hạt to Quả mít lúc

thu hoạch có khối lượng từ (4 - 25) kg Quả mít có thể dài từ (20 - 90) cm; đường kính từ (15 - 50) cm Mổi quả Mít có thể có 100 - 500 hạt tương ứng với 100 - 500 múi ( Mỗi múi là một quả đơn)

Mít là cây mọc hoang dại trong các vùng rừng mưa ở Ấn Độ Mít ưa khí hậu nóng ẩm, mưa nhiều, Mít chịu hạn tốt nhờ bộ rể ăn sâu và kém chịu úng Hiện nay, Mít được trồng nhiều ở các nước: Ấn Độ, Xrilanca, Lào, Việt Nam, Thái Lan…và

đã trở thành loại cây ăn quả quan trọng của nhiều nước Thái Lan có diện tích trồng Mít là 40700 ha; Philippin 13000 ha; Malaysia 1500 ha…[19]

Thành phần hóa học của Mít:

Phần thịt ăn được của quả Mít chiếm 25 – 40 % trọng lượng của quả Trong 100g phần này chứa 72 – 77,2g nước; 1,3 – 2g protein; 0,1 – 0,4g chất béo; 18,9 – 25,4g carbohydrat; 0,8 – 1,1g chất xơ; 0,8 – 1,4g tro; Vitamin A chiếm 175 – 540 đơn vị quốc tế; Niacin 0,9 – 4 mg; Vitamin C từ 8 – 10g.[19]

Phần không ăn được của quả Mít giàu Pectin dùng để chế biến Mứt Hạt chứa 70% tinh bột; 5,2% Prôtít; 0,62% chất béo; 1,4% muối khoáng Hạt Mít có thể được sấy để làm thực phẩm thay thế gạo

Mít là loại cây ăn quả có giá trị và cũng là một cây thuốc quý Ngày nay, đã có rất nhiều sản phẩm chế biến từ quả mít được nhiều người ưa chuộng như: Mít sấy, thức ăn từ hạt Mít, các loại nước ép từ Mít và Mít đóng hộp Ở Việt Nam, đã có rất nhiều công ty thành công trong việc xuất khẩu ra thị trường thế giới các sản phẩm từ hoa quả đặc biệt là Mít Điển hình là công ty Vinamit Tuy nhiên, công nghệ sấy hoa quả của các công ty này vẫn là nhập các dây chuyền công nghệ sấy thăng hoa và dùng hơi nước từ nước ngoài nên giá thành sản phẩm vẫn còn khá cao

Chương 4 LỰA CHỌN PHƯƠN G ÁN VÀ TÍN H TOÁN N HIỆT QUÁ TRÌN H SẤY

4.1 Lựa chọn phương án sấy

Như đã trình bày ở chương 3, các loại rau quả rất nhạy cảm với nhiệt độ sấy cao

Vì vậy cần có phương án sấy thích hợp để rau quả sấy đạt chất lượng cao, giữ nguyên được màu sắc và mùi vị Mít cũng là loại quả có màu sắc và mùi vị rất đặc trưng Vì vậy, khi sấy Mít ta cũng cần tìm những biện pháp để giữ lại những nét đặc trưng của loại quả này Từ những phân tích về hiệu quả của bơm nhiệt trong công nghệ sấy lạnh ở chương 1, ta chọn hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt để sấy Mít

4.2 Chọn loại thiết bị sấy

Để phù hợp với yêu cầu của đề tài, ta chọn loại thiết bị sấy buồng dùng bơm nhiệt Sơ đồ nguyên lý của thiết bị như hình vẽ

N guyên lý:

Ban đầu, không khí ngoài trời có trạng thái O(t0,ϕ0) được đưa qua dàn lạnh Tại đây, môi chất lạnh được đưa từ dàn nóng qua van tiết lưu 6 vào dàn lạnh rồi trao đổi nhiệt Q2 với không khí Bản thân môi chất hoá hơi rồi được hút về máy nén Không khí trong buồng lạnh nhả nhiệt cho dàn lạnh làm cho nhiệt độ của nó giảm từ t0xuống t và tiếp tục giảm xuống t Quá trình làm lạnh không khí làm cho không khí

N (

N p

ẩm trở nên quá bảo hoà, nước ngưng tụ sẽ được thoát ra ngoài Máy nén tiêu thụ năng lượng Nb đưa môi chất lạnh đến dàn nóng Không khí có nhiệt độ t1 được đưa qua dàn nóng Ở đây, môi chất toả nhiệt Q1 ra không khí làm cho nhiệt độ của không khí tăng lên từ t1 đến t2 Sau đó, không khí đi qua buồng sấy, trao đổi nhiệt

ẩm với vật liệu sấy và thực hiện quá trình sấy làm bay hơi ẩm Wh từ vật liệu Không khí ra khỏi buồng sấy có thông số (t3,ϕ3) được quạt 4 thổi vào buồng lạnh và tiếp tục thực hiện quá trình sấy kín Do đó trong quá trình sấy lý thuyết không chịu sự ảnh hưởng cuả nhiệt độ môi trường Nếu năng suất lạnh của dàn lạnh không đủ để làm lạnh không khí thì người ta dùng nước bổ sung đưa vào làm mát không khí Để giảm khoảng điều chỉnh công suất nhiệt của bơm nhiệt người ta bố trí thêm bộ phận gia nhiệt bằng điện 7 để gia nhiệt bổ sung ở đầu quá trình sấy mà bơm nhiệt không đáp ứng được Sơ đồ nguyên lý này được thể hiện rõ hơn trên hình vẽ bên.(hình 4.1)

)16100.(

50100

)100.(

1

2 2

= 161,54 kg/mẻ

+ Khối lượng riêng: ρm = 916 kg/m3

4.3.2 Tác nhân sấy

Ta chọn tác nhân sấy là không khí với các thông số sau:

* Thông số ngoài trời