Luận văn nghiên cứu, tìm hiểu quá trình phát triển, cải tiến các loại bếp lò, lò đốt trên thế giới và ở Việt Nam. Khảo sát tình hình sử dụng bếp đun nhiên liệu sinh khối trên địa bàn thành phố Huế, từ đó phân tích đặc điểm kết cấu của các loại bếp lò dùng nhiên liệu sinh khối, nguyên lý hoạt động của bếp lò, hiệu suất của bếp, từ đó tìm ra được ưu nhược điểm của các loại bếp đang sử dụng.
TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BẾP LÒ
Từ xưa đến nay chúng ta đã được nghe qua rất nhiều câu chuyện về sự tích
Chiếc bếp, biểu tượng của Ông Táo, Bà Táo và thần lửa, đã trở thành một dụng cụ thiết yếu trong mỗi gia đình Xuất hiện từ khi con người biết sử dụng lửa để nấu ăn, bếp lò đã trải qua hàng ngàn năm phát triển, từ hình dáng đến công nghệ bên trong Nghiên cứu của các nhà khoa học và khảo cổ học đã ghi lại sự tiến hóa của chiếc bếp, phản ánh sự phát triển của nhân loại.
Hình 1.1 Bếp củi truyền thống
Các nhà khảo cổ học cho rằng khoảng 1 triệu năm trước, con người đã bắt đầu biết sử dụng lửa, và nhanh chóng nhận ra rằng thực phẩm nấu chín sẽ ngon hơn và dễ ăn hơn so với thực phẩm sống Các dấu tích từ thời đồ đá cho thấy có những lỗ hõm trên mặt đất, nơi đặt đá để đốt lửa Thực phẩm thường được xiên qua cây và nướng trên lửa, hoặc được cuộn trong đất sét, lá cây và chôn trực tiếp vào than hồng để chế biến.
Trong thời trung cổ, phương pháp nấu thức ăn vẫn giữ nguyên nhiều đặc điểm truyền thống Thay vì nấu trực tiếp trên nền đất, lò nấu được nâng cao bằng cách đặt trên các chân hoặc phiến đá Tuy nhiên, vào thời điểm này, việc thoát khói vẫn chưa được giải quyết hiệu quả, với giải pháp thô sơ là tạo các đường rạch trên tường và nóc nhà để khói có thể thoát ra.
Từ thế kỷ thứ 9, lò sưởi đã được cải tiến từ chỗ đốt lửa truyền thống, di chuyển từ giữa phòng vào cạnh tường và thiết kế thêm ống dẫn khói ra ngoài Ban đầu, ống dẫn khói được làm bằng gỗ, nhưng đến thế kỷ 13, nó đã được chế tạo từ đá Vào cuối thế kỷ 19, lò sưởi bằng gang, hay còn gọi là máy nấu, xuất hiện với nhiều kích thước và hình dạng khác nhau, được chạm trổ và điêu khắc như một vật trang trí trong không gian sống.
Bếp gas, một phát minh mới ra đời vào cuối thế kỷ 19 tại Đức, đã nhanh chóng trở thành lựa chọn phổ biến trong nấu nướng Loại bếp này được ứng dụng rộng rãi từ thế kỷ 19 sang thế kỷ 20 nhờ vào những lợi thế vượt trội, như khả năng tập trung nhiệt năng hiệu quả và dễ dàng điều chỉnh.
Qua phát minh này, người ta tiết kiệm rất nhiều năng lượng và thời gian Ngoài ra không có khói, không có tro và bồ hóng
Bếp điện đầu tiên được giới thiệu tại triển lãm thế giới năm 1893 ở Chicago, đánh dấu sự khởi đầu của nhiều phương pháp nấu ăn hiện đại Ngày nay, các gia đình đã áp dụng nhiều kỹ thuật làm chín thực phẩm như nấu bằng hơi nóng, hơi lạnh, nướng và lò vi sóng Lò vi sóng hoạt động với tần số cao, sử dụng sóng điện từ giữa sóng radio và sóng hồng ngoại, tác động trực tiếp lên các phân tử nước trong thực phẩm mà không tạo ra nhiệt Khi bị tác động bởi sóng, các phân tử nước xoay và cọ xát, sinh ra nhiệt để làm nóng thực phẩm, trong khi chén dĩa và đồ dùng không bị nóng trực tiếp mà chỉ nóng lên do nhiệt năng truyền từ thực phẩm.
Từ năm 1984, phương pháp nấu ăn bằng cảm ứng đã xuất hiện trên thị trường, tương tự như bếp điện với mặt bếp bằng caran Điểm khác biệt chính là mặt bếp không nóng nếu không có nồi đặt lên Cuộn đồng cảm ứng trong bếp tạo ra dòng điện hai chiều, tạo ra từ trường thay đổi nhanh chóng Khi nồi kim loại có từ tính được đặt lên bếp, từ trường sẽ sinh ra điện áp trong đáy nồi, tạo ra dòng điện eddy current, giúp làm nóng nhanh chóng đáy nồi và thực phẩm bên trong.
Nấu ăn bằng bếp từ là phương pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả Nồi có khả năng phản ứng nhanh với sự thay đổi nhiệt độ, tương tự như bếp gas, và thời gian làm nóng còn nhanh hơn so với bếp gas.
Như vậy, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật thì những chiếc bếp ngày trước
Công nghệ hiện đại đã giúp cho những thiết bị bếp cồng kềnh trở nên đẹp mắt và sang trọng hơn, đồng thời áp dụng các kỹ thuật tiên tiến để tiết kiệm thời gian và dễ dàng vệ sinh hàng ngày cho các chị em nội trợ.
TÌNH HÌNH CẢI TIẾN BẾP LÒ TRÊN THẾ GIỚI
Thuật ngữ bếp cải tiến bắt đầu xuất hiện từ thế kỷ XX được gọi là ICS (viết tắt của Improved Cook Stove)
Bếp cải tiến là loại bếp tiết kiệm nhiên liệu và giảm khói so với bếp truyền thống, giúp nấu cùng một lượng thực phẩm hiệu quả hơn Trước tình hình thiếu hụt chất đốt toàn cầu, nhiều quốc gia đã tích cực nghiên cứu và phát triển bếp đun cải tiến Tại Châu Phi, nghiên cứu về bếp đun cải tiến đã bắt đầu từ những năm 1980.
Tổ chức GTZ đã phát triển và cung cấp bếp cải tiến cho người dân địa phương, đồng thời bán chúng tại các chợ Một tổ bộ phận cải tiến bếp kiềng đã được thành lập, yêu cầu mỗi hộ gia đình phải có ít nhất một bếp cải tiến Tuy nhiên, sự thiếu hụt cơ chế chính sách đã dẫn đến việc giảm số lượng bếp cải tiến sau khi chương trình kết thúc, do không còn nhận được hỗ trợ tài chính.
Năm 2003, Trung tâm xúc tiến năng lượng thay thế (AEPC) phối hợp với Sở Khoa học Công nghệ - Khoa học Môi trường Nepal đã triển khai chương trình nghiên cứu và phát triển bếp đun cải tiến tại 30 trong số 75 huyện, với tổng số khoảng 250.000 bếp được lắp đặt.
Năm 2008, tổ chức VPA (Voluntary Program Activities) đã tiến hành nghiên cứu cải tiến bếp kiềng tại Peru, xây dựng 82.099 bếp với mục tiêu giảm 74.233 tấn gỗ và 331.754 tấn CO2 trong vòng 7 năm, đến năm 2011 Việc sử dụng bếp truyền thống còn gây ra nhiều bệnh về hô hấp, theo số liệu của VPA, năm 2004 có
2.500 trẻ em dưới 14 tuổi chết tại Peru, trung bình 1 năm trên thế giới có 1.000 người chết vì hít phải khí thải từ bếp truyền thống [13]
Nghiên cứu đã xác định được một số lợi ích thu được từ việc sử dụng bếp cải tiến như sau:
- Giảm nhu cầu sử dụng năng lượng không tái tạo
- Giảm khí CO2 và bảo vệ rừng địa Phương
- Giảm khói, cải thiện chất lượng không khí trong nhà, bảo vệ sức khỏe
- Tiết kiệm gỗ, thời gian và kinh phí
- Bảo vệ rừng hiệu quả trong việc bảo tồn và phòng chống xói mòn đất
- Giảm các chất khí có hại.
ỨNG DỤNG BẾP LÒ CẢI TIẾN Ở VIỆT NAM
Tại Việt Nam, sự suy giảm nhanh chóng của diện tích rừng đã thúc đẩy việc nghiên cứu và cải tiến các bếp tiết kiệm củi từ sớm Năm 2000, tổ chức ECO cùng dự án LSNG đã tiến hành nghiên cứu và thử nghiệm 6 mẫu bếp tại huyện Ba Bể, tỉnh Bắc Cạn.
Năm 2007, Trung tâm Năng lượng tái tạo và Cơ chế phát triển sạch, thuộc Viện Năng lượng, đã được Ban Chỉ đạo Chương trình mục tiêu quốc gia giao thực hiện các hoạt động về sử dụng năng lượng hiệu quả và tiết kiệm trong nông, lâm nghiệp tại các hộ gia đình nông thôn Chương trình này đã triển khai nhiều hoạt động thiết thực nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong cộng đồng.
Tại ba tỉnh Phú Thọ, Thanh Hoá và Hòa Bình, có 1500 bếp cải tiến được triển khai Kết quả sơ bộ cho thấy mỗi hộ gia đình sử dụng bếp đun cải tiến có thể tiết kiệm từ 1,4 đến 1,5 tấn củi mỗi năm.
Năm 2011, Hội Liên hiệp phụ nữ huyện Định Hóa, tỉnh Thái Nguyên đã thực hiện thử nghiệm bếp lò cải tiến tại hai xã Bình Thành và Bộc Nhiêu, với kết quả là 116 bếp xách tay và 14 bếp xây cố định được triển khai.
Nghiên cứu cải tiến bếp tiết kiệm củi đang thu hút sự quan tâm từ nhiều tổ chức và cá nhân Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chủ yếu chỉ tập trung vào việc tiết kiệm củi, dẫn đến tình trạng khai thác gỗ và củi từ rừng vẫn tiếp tục diễn ra một cách bừa bãi.
Hình 1.2 Bếp tiết kiệm năng lượng TK90
Việc sử dụng chất thải nông nghiệp làm nhiên liệu đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi, bao gồm sản xuất củi trấu, than cốt dừa và khí gas từ chất thải.
Chi phí sản xuất cao và sản phẩm than bánh chỉ phù hợp cho các lò sấy, không đáp ứng nhu cầu nấu ăn của các hộ gia đình dân tộc thiểu số Do đó, sáng kiến thiết kế bếp phù hợp cho việc sử dụng lõi ngô trong nấu nướng hàng ngày vẫn chưa được phổ biến.
CÁC LOẠI BẾP ĐUN, LÒ ĐỐT
Bếp 3 chân là loại bếp đơn giản được cấu tạo từ 3 cục đá, 3 viên gạch hoặc vành thép với 3 chân, sử dụng nhiên liệu chủ yếu là các phụ phẩm nông - lâm nghiệp như rơm, rạ, lõi ngô, trấu và củi.
Tại Việt Nam, nhiều hộ nông dân, đặc biệt ở khu vực miền núi và nông thôn, vẫn thường xuyên sử dụng củi, rơm, rạ và các loại nhiên liệu tự nhiên khác để nấu ăn hàng ngày Theo nghiên cứu, khoảng 56% dân số Việt Nam hiện vẫn đang phụ thuộc vào củi làm nguồn năng lượng chính cho việc đun nấu.
Bếp này có hiệu suất nhiệt kém, gây ra nhiều khói bụi và khí độc hại trong quá trình nấu nướng, dẫn đến các bệnh về mắt và đường hô hấp, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của người sử dụng.
Bếp ba mặt lò là một loại bếp được xây dựng kín, cho phép nồi đặt trực tiếp trên lửa hoặc trên tấm sắt Loại bếp này giúp giảm lượng củi cần thiết và hạn chế tình trạng tro than bắn ra ngoài.
Hình 1.3 Bếp lò di động tự đắp
Bếp lò sử dụng than tổ ong, trấu và dăm bào ép: Chất đốt sử dụng là than tổ ong hoặc dăm bào và trấu ép
Bếp lò cải tiến được trang bị vòng kê nồi với nhiều kích cỡ khác nhau, cho phép sử dụng nồi với đường kính phù hợp Khi tháo vòng ra, người dùng có thể nấu trực tiếp trên ngọn lửa, trong khi khi sử dụng vòng, nấu sẽ diễn ra qua một miếng sắt Tuy nhiên, do đáy nồi thường cong, hiệu quả truyền nhiệt không cao Do đó, phương pháp treo nồi trực tiếp trên ngọn lửa vẫn mang lại hiệu quả nấu nướng tốt hơn.
Hình 1 4 Bếp lò tự xây có nhiều vòng
Bên dưới mặt bếp có một hệ thống ống nước để nấu nóng nước Nước được làm nóng bằng ngọn lửa đốt nóng ống dẫn qua lò
1.4.3 Bếp hóa khí (Bếp ga sinh học)
Là loại bếp đốt yếm khí nhiên liệu từ buồng chứa tạo ra khí gas sinh học [6]
Hình 1.5 Bếp gas hóa khí
1.4.4 Bếp Gas Đây là loại bếp dùng nhiên liệu là khí hóa lỏng LPG, được sử dụng phổ biến nhất hiện nay và thường hay gặp ở hầu hết các gia đình ở thành phố
Hình 1.6 Bếp ga sử dụng khí hóa lỏng Ưu điểm:
Nhiên liệu gas được ưa chuộng nhờ giá thành rẻ và tính dễ sử dụng, giúp việc nấu ăn trở nên nhanh chóng và hiệu quả Với khả năng gia nhiệt tùy chọn và kiểm soát ngọn lửa linh hoạt, gas không kén nồi nấu, phù hợp với hầu hết các loại nồi có chất liệu và kích thước khác nhau, miễn là vừa với kiềng và bề mặt bếp.
Hiệu suất nấu ăn chỉ đạt 60% do lãng phí nhiệt năng khi đốt nóng không khí, trong khi bếp gas sản sinh nhiều khí CO gây hại cho môi trường Ngoài ra, nguy cơ rò rỉ khí gas có thể dẫn đến ngộ độc hoặc cháy nổ, gây nguy hiểm cho người sử dụng Thiết kế kiềng bếp và vòng lửa liền khối cũng làm khó khăn cho việc vệ sinh bếp.
Bếp điện sử dụng dây điện trở có đặc điểm giữ nhiệt kém, tuổi thọ ngắn và hiệu suất nhiệt không cao, nhưng lại có giá thành rẻ và dễ dàng thay thế.
Hình 1.7 Bếp điện sử dụng dây điện trở
Bếp điện từ, hay còn gọi là bếp từ, hoạt động dựa trên nguyên lý tăng nhiệt nhờ dòng điện cảm ứng từ trong từ trường Dòng điện xoay chiều qua dây lò xo tạo ra từ trường, và các đường cảm ứng điện từ này truyền qua phần đế bằng sắt dưới đáy nồi, tạo ra nhiều dòng điện cảm ứng nhỏ Những dòng điện này làm nóng thân nồi, từ đó đun nóng và làm chín thức ăn.
Hình 1.8 Bếp từ Midea MI-SV21DM
Bếp hồng ngoại là thiết bị nấu ăn hiện đại sử dụng năng lượng điện và tia hồng ngoại xa để làm nóng thực phẩm Với công nghệ siêu cao tần, bếp hồng ngoại cho phép kiểm soát nhiệt độ và thời gian một cách chính xác, đồng thời không phát ra bức xạ điện từ, đảm bảo an toàn cho sức khỏe Sản phẩm này rất phù hợp cho việc nấu nướng trong gia đình.
Hình 1.9 Bếp hồng ngoại Sanaky SNK2102HG
THỰC TRẠNG BẾP ĐUN SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH KHỐI HIỆN NAY
Bếp được thiết kế với ba điểm tựa để đặt xoong nồi, có thể sử dụng các vật liệu như đá, gạch hoặc các loại khác Chất đốt có thể được đưa vào vùng đốt từ nhiều hướng khác nhau để phục vụ việc nấu nướng.
Bếp kiềng ba chân là loại bếp phổ biến tại vùng quê, dễ sử dụng và phù hợp với mọi kích cỡ xoong nồi, đồng thời có thể sử dụng nhiều loại nhiên liệu sinh khối Tuy nhiên, bếp truyền thống có nhược điểm là tổn thất nhiệt lớn, phát sinh khói và bụi, ảnh hưởng xấu đến sức khỏe người sử dụng.
Hình 1.11 Bếp lò di động
Bếp được chế tạo từ đất sét và phụ gia hoặc thép phế liệu, sử dụng chất đốt chính là than củi, than đá, củi gỗ và phụ phẩm xenlulozo Loại bếp này phổ biến trên thị trường nhờ kích thước nhỏ gọn, dễ di chuyển, chi phí thấp và hiệu suất nhiệt cao hơn so với bếp truyền thống.
Chỉ dùng được cho các loại nồi nhỏ, đỡ bụi nhưng lượng khói vấn còn nhiều
1.5.3 Bếp lò cải tiến không khói
Hình 1.12 Bếp lò cải tiến
Bếp được chế tạo từ đất sét và gạch, có khả năng sử dụng với nhiều loại nhiên liệu khác nhau, mang lại hiệu suất nhiệt cao Thiết kế bếp có ống dẫn khói giúp không gian gọn gàng và sạch sẽ, từ đó đảm bảo sức khỏe cho người sử dụng.
Bếp được xây dựng tại vị trí cố định, không thể di chuyển, với kích thước miệng bếp cố định, chỉ phù hợp với một số loại xoong nồi có kích thước nhất định.
1.5.4 Các loại bếp cải tiến tiết kiệm năng lượng
Bếp tiết kiệm năng lượng là giải pháp hiệu quả cho việc nấu nướng tại các hộ gia đình nông thôn, sử dụng hiện tượng đối lưu không khí và chất đốt đa dạng, giúp tối ưu hóa hiệu suất nhiệt lên đến 80-90% Khác với bếp truyền thống “kiềng ba chân”, bếp TKNL giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường, di chuyển dễ dàng và ít phát thải khí độc hại như CO, SO2, NOx Việc lựa chọn bếp tiết kiệm năng lượng không chỉ đơn giản mà còn tiết kiệm chi phí, là lựa chọn lý tưởng cho các gia đình muốn thay thế phương pháp nấu nướng truyền thống.
Kết quả ban đầu từ việc thu thập ý kiến của các hộ gia đình cho thấy bếp cải tiến đã mang lại hiệu quả cao, với việc giảm tiêu thụ chất đốt khoảng 30%, không có khói bụi và thời gian nấu ăn giảm gần một phần ba so với trước đây.
Theo kết quả ban đầu, mỗi hộ gia đình sử dụng bếp đun cải tiến có thể tiết kiệm từ 1,4-1,5 tấn củi mỗi năm, tương đương khoảng 950 kg than cám 6 Nếu bếp đun cải tiến được áp dụng rộng rãi, hiệu quả kinh tế trong tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường sẽ rất lớn.
Có ba loại bếp cơ bản dựa trên nguồn nhiên liệu sử dụng, bao gồm bếp năng lượng mặt trời, bếp khí sinh học biogas và bếp điện tử.
1.5.4.1 Bếp sử dụng năng lượng mặt trời
Bếp sử dụng năng lượng mặt trời rất đa dạng, nhưng hai loại phù hợp nhất với điều kiện Việt Nam là bếp hình hộp và bếp chảo parabol Những bếp này có ưu điểm lớn là sử dụng nguồn năng lượng sạch, giúp bảo vệ môi trường Tuy nhiên, chúng cũng gặp nhiều hạn chế, như phụ thuộc vào thời tiết, chỉ hoạt động hiệu quả trong mùa nắng nóng, và cần phải nấu ăn ngoài trời, đòi hỏi phải điều chỉnh nhiệt độ theo hướng di chuyển của mặt trời.
Bếp sử dụng năng lượng mặt trời có giá thành cao, dao động từ 800.000đ đến 1,4 triệu đồng, tùy thuộc vào chất liệu và cơ sở sản xuất Vì vậy, loại bếp này chưa được phổ biến rộng rãi trong cộng đồng, mà chủ yếu phù hợp ở những khu vực có nhiều nắng và khó khăn trong việc tiếp cận các nguồn năng lượng khác.
Hình 1.13 Bếp parabol sử dụng năng lượng mặt trời 1.5.4.2 Bếp sử dụng khí sinh học biogas
Biogas là khí được hình thành từ quá trình phân hủy phân động vật và chất hữu cơ trong môi trường yếm khí Vi sinh vật chịu trách nhiệm phân hủy các chất này, tạo ra các thành phần khí như metan (CH4), nitơ (N2), cacbon dioxit (CO2) và hydro sulphate.
(H2S) Trong đó, khí CH4 có thể cháy được
Hầm khí biogas là giải pháp lý tưởng cho các hộ chăn nuôi gia súc, giúp giải quyết vấn đề bảo vệ môi trường bằng cách tận dụng chất thải gia súc mà không gây ô nhiễm Việc sử dụng hầm biogas không chỉ tiết kiệm chi phí năng lượng mà còn mang lại nhiều lợi ích khác Tuy nhiên, hệ thống biogas cần đảm bảo kín để tránh ô nhiễm mùi hôi, và việc đầu tư xây dựng có thể tốn kém Ngoài ra, thiếu kiến thức về cách sử dụng hầm ủ khí có thể dẫn đến sản lượng gas thấp và giảm tuổi thọ của hệ thống.
Hiện nay có các loại: hầm nắp rời, hầm nắp cố định chế tạo sẵn, hầm nắp cố định xây gạch, hầm dạng túi ủ
Hình 1.14 Hầm nắp cố định chế tạo sẵn 1.5.4.3 Bếp hồng ngoại
Loại bếp này rất phù hợp với quy mô hộ gia đình Việt Nam và giúp bảo vệ môi trường nông thôn Nó mang lại hiệu quả kép bằng cách tận dụng nhiên liệu sẵn có, đồng thời tiện lợi và tiết kiệm chi phí năng lượng.
Bếp này tận dụng phụ phẩm nông nghiệp phong phú tại các vùng nông thôn Việt Nam như rơm rạ, vỏ trấu, lõi ngô, vỏ lạc và mùn cưa Việc sử dụng những nguyên liệu này không chỉ giúp giảm ô nhiễm môi trường không khí, đất và nước mà còn hạn chế tình trạng lãng phí tài nguyên khi các loại bếp truyền thống hoặc việc đốt trực tiếp gây ra.
KHẢO SÁT TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BẾP ĐUN SINH KHỐI Ở THÀNH PHỐ HUẾ
Hiện nay, các hộ gia đình ở thành phố Huế chủ yếu sử dụng bếp gas và bếp hồng ngoại Những loại bếp này nổi bật với tính tiện lợi, dễ sử dụng, giúp nấu ăn nhanh chóng mà không cần mồi lửa, đồng thời hạn chế khói bụi.
Trong khi đó, một số các quán ăn nhỏ như quán cơm, quán bún thì sử dụng các loại củi, bếp than, bếp trấu và mùn cưa
Các nhà hàng lớn hoặc các bếp ăn tập thể thì sử dụng các loại bếp lò tự xây cố định có ống thoát khói
Hình 1.17 Bếp lò tự xây tại nhà hàng.
CÁC DẠNG NHIÊN LIỆU VÀ NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG TRONG LÒ ĐỐT
NHIÊN LIỆU Ở THỂ RẮN
Bao gồm than đá, than bùn, than gỗ, gỗ và gỗ vụn, phụ phế phẩm như: Trấu, dăm bào, mùn cưa, vỏ đậu,lõi ngô
Hình 2.1 Củi gỗ và củi ép từ dăm bào
Hình 2.2 Than củi và than đá
Củi gỗ là nhiên liệu truyền thống phổ biến, được khai thác từ rừng và các khu vực không có rừng như cây trồng trên đất công cộng, cây bụi, cây ven đường, đất trang trại hoặc vườn nhà Năng suất nhiệt của củi gỗ phụ thuộc vào độ ẩm của nó.
Củi ép từ dăm bào và mùn cưa được sản xuất từ các phụ phẩm gỗ, được ép thành thanh củi, sau đó sấy khô và đóng gói Sản phẩm này mang lại sự tiện lợi cho quá trình vận chuyển và sử dụng.
Than củi, được sản xuất từ củi gỗ, có trọng lượng nhẹ và năng suất nhiệt cao hơn so với củi gỗ truyền thống Sản phẩm này tạo ra ít khói, đảm bảo an toàn trong quá trình nấu nướng.
Than đá, một loại nhiên liệu hóa thạch, đang ngày càng trở nên khan hiếm do nhu cầu sử dụng tăng cao Việc sử dụng loại nhiên liệu này không chỉ gây ra tình trạng khan hiếm mà còn sản sinh nhiều khói độc hại, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của người nấu ăn và những người xung quanh.
NHIÊN LIỆU Ở THỂ LỎNG
Nhiên liệu ở thể lỏng chủ yếu là xăng, dầu, cồn công nghiệp
Xăng dầu, sản phẩm được chiết xuất từ dầu mỏ, là một dạng năng lượng hóa thạch chủ yếu chứa cacbonhydro Đây là loại nhiên liệu dễ cháy, đặc biệt khi nén ở áp suất cao, và khi cháy, nó phát sáng, tăng thể tích đột ngột và sinh ra nhiệt.
Cồn công nghiệp, được chiết xuất từ Ethanol, là một chất lỏng không màu, dễ bay hơi và có mùi đặc trưng Khi đốt cháy, nó tạo ra ngọn lửa màu xanh cùng với khí CO2 và H2O.
NHIÊN LIỆU Ở THỂ KHÍ
Khí thiên nhiên là nhiên liệu công nghiệp quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong nấu nướng, sấy khô, và trong các lò gạch, gốm, cũng như lò cao để sản xuất xi măng Ngoài ra, khí thiên nhiên còn được đốt trong các tua-bin nhiệt điện để phát điện, và trong các lò nấu thủy tinh, lò luyện kim loại, cùng với quy trình chế biến thực phẩm.
Khí thiên nhiên là nguyên liệu quan trọng trong ngành hóa dầu, đóng vai trò chính trong việc sản xuất các chất hóa dầu Những chất này được sử dụng làm cơ sở để sản xuất phân đạm, bột giặt, dược phẩm, chất dẻo và nhiều sản phẩm khác.
NĂNG LƯỢNG KHÁC
Năng lượng tái tạo, hay còn gọi là năng lượng tái sinh, là nguồn năng lượng từ các nguồn liên tục như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt, được coi là vô hạn theo tiêu chuẩn của con người Nguyên tắc cơ bản trong việc sử dụng năng lượng tái tạo là khai thác một phần năng lượng từ các quy trình tự nhiên diễn ra liên tục trong môi trường, chủ yếu từ Mặt Trời, để phục vụ cho các ứng dụng kỹ thuật Năng lượng tái tạo đang dần thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống, góp phần vào việc bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
Năng lượng tái tạo hiện diện rộng rãi trên nhiều vùng địa lý, trái ngược với các nguồn năng lượng khác chỉ có ở một số quốc gia Việc áp dụng năng lượng tái tạo một cách nhanh chóng và hiệu quả không chỉ quan trọng cho an ninh năng lượng mà còn giúp giảm thiểu biến đổi khí hậu và mang lại lợi ích kinh tế Các cuộc khảo sát toàn cầu cho thấy sự ủng hộ mạnh mẽ đối với việc phát triển và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÀI LIỆU
Nghiên cứu tài liệu là bước quan trọng để thu thập thông tin về cơ sở lý thuyết, thành tựu và kết quả nghiên cứu của đồng nghiệp, cũng như các chính sách và số liệu thống kê liên quan đến chủ đề nghiên cứu.
Nghiên cứu tài liệu từ các nguồn đa dạng như tạp chí và báo cáo khoa học, sách giáo khoa, tác phẩm khoa học, tài liệu lưu trữ và số liệu thống kê là rất quan trọng Việc khai thác thông tin từ các nguồn này giúp nâng cao chất lượng nghiên cứu và cung cấp cái nhìn sâu sắc về các vấn đề trong ngành và ngoài ngành Ngoài ra, việc sử dụng mạng để tìm kiếm tài liệu cũng là một phương pháp hiệu quả để thu thập dữ liệu và thông tin cần thiết cho nghiên cứu.
PHƯƠNG PHÁP PHỎNG VẤN CHUYÊN GIA
Tiến hành trao đổi với các chủ nhà hàng và bếp ăn tập thể nhằm đánh giá hiệu suất hoạt động của các bếp hiện tại, đồng thời thảo luận về khả năng nâng cao hiệu suất và việc sử dụng đa nhiên liệu cho bếp.
- Thông qua các chuyên gia và giáo viên hướng dẫn để đưa ra các mẫu thiết kế phù hợp với tình hình thực tế.
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
- Tiến hành thiết kế mẫu bếp sử dụng đa nhiên liệu, tích hợp bộ thu nhiệt tận dụng, có hiệu suất cao, đảm bảo vệ sinh môi trường
- Tính toán hiệu suất nhiệt của mỗi loại bếp lò, khả năng đốt cháy và tiêu tốn các loại nhiên liệu.
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
- Tiến hành chế tạo mẫu bếp
- Thực nghiệm mẫu bếp mới chế tạo và đối chứng với các loại bếp phổ biến.
NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
NHIÊN LIỆU SINH KHỐI
5.1.1 Khái niệm về sinh khối
Sinh khối là vật liệu hữu cơ tái tạo, không bao gồm nguyên liệu hóa thạch, có nguồn gốc từ sinh vật sống Trong ngành năng lượng và công nghiệp, sinh khối được sử dụng làm nhiên liệu hoặc nguyên liệu sản xuất Thường thì, sinh khối bao gồm phần chất từ cây trưởng thành, cùng với phần chất thực vật và động vật, phục vụ cho việc sản xuất sợi, hóa chất và tạo nhiệt Điều quan trọng là sinh khối khác với các vật liệu hữu cơ được hình thành qua quá trình địa chất như than đá hay dầu mỏ.
Sinh khối thường được đánh giá qua thông số cân nặng khô
Sinh khối là nguồn năng lượng chủ yếu cho con người, với khả năng tái tạo và dự trữ từ nhiều nguồn sẵn có Nó bao gồm than thực vật và có khả năng lưu trữ cũng như thay thế dầu.
Bảng 5.1 Phân loại và các dạng sinh khối
1 Nguồn từ mùa màng Thức ăn nuôi động vật và cây tinh bột
2 Sinh khối chưa sử dụng Rơm, vỏ trấu, gỗ vụn và chất thải từ gỗ
Chất thải từ giấy, phân động vật, chất thải từ thực phẩm, chất thải từ xây dựng, chất thải lỏng và bùn cống
5.1.2 Nguồn gốc của sinh khối
Sinh khối là vật chất hữu cơ, đặc biệt là các chất cellulose hay ligno-cellulosic
Sinh khối bao gồm các vật chất tái tạo như cây cối, chất xơ gỗ, chất thải gia súc, chất thải nông nghiệp và thành phần giấy trong chất thải rắn đô thị.
Hình 5.1 Vụn gỗ và bã vỏ mía
Hình 5.2 Gỗ rừng, gỗ lâm nghiệp
Cây tích trữ năng lượng mặt trời trong các tế bào cellulose và lignin thông qua quá trình quang hợp Cellulose là một chuỗi polymer được tạo thành từ các phân tử đường.
Lignin, một chất 6-carbon, là chất kết dính các chuỗi cellulose Khi bị đốt, các liên kết giữa các phân tử đường bị phá vỡ, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt và thải ra khí CO2 cùng hơi nước Các sản phẩm phụ từ phản ứng này có thể được thu thập và sử dụng để sản xuất điện năng, thường được gọi là năng lượng sinh học hoặc nhiên liệu sinh học.
Các nguồn sinh khối trong nước bao gồm chất dư thừa và chất bã đã được xử lý, như bột giấy, chất thải nông lâm nghiệp, chất thải gỗ thành thị, chất thải rắn đô thị, khí từ các hố chôn lấp, và chất thải gia súc Ngoài ra, các giống cây năng lượng, được trồng để khai thác năng lượng, cũng là một phần của nguồn sinh khối Khi được thu thập với số lượng lớn, chúng được gọi là nguyên liệu sinh khối Việc sử dụng chất thải để phân hủy tự nhiên giúp giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường Dưới đây là mô tả chi tiết về từng loại sinh khối.
5.1.2.1 Chất bã của sinh khối đã qua xử lý
Các quá trình xử lý sinh khối tạo ra các sản phẩm phụ và chất thải gọi là chất bã, có chứa một lượng thế năng nhất định Mặc dù không phải tất cả chất bã đều có thể sử dụng trực tiếp để sản xuất điện năng, một số cần bổ sung thêm dinh dưỡng hoặc nguyên tố hóa học Tuy nhiên, việc sử dụng chất bã trở nên dễ dàng do chúng đã được thu thập và phân loại trong quá trình xử lý.
5.1.2.2 Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy
Cây cối chứa lignin, hemicellulose và sợi cellulose, trong đó lignin dễ dàng phân hủy hơn cellulose do các tính chất hóa học và vật lý của nó Quá trình nghiền nhão giúp tách rời và chia nhỏ sợi lignin, từ đó suspend các sợi cellulose để sản xuất giấy Quá trình này tạo ra bột giấy dư thừa, dẫn đến việc hình thành chất bã, sản phẩm phụ từ các hoạt động đốn và xử lý gỗ Các quy trình này không chỉ tạo ra sản phẩm mà còn thải ra mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy.
5.1.2.3 Bã cây rừng (Forestry residues)
Chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ việc làm thưa rừng, sinh khối không được thu hoạch và vật liệu dư thừa trong quản lý rừng Việc tận dụng bã cây rừng mang lại lợi ích lớn, vì phần lớn bã này được sản xuất từ các nhà máy giấy và xử lý gỗ, giúp nguồn nguyên liệu dễ dàng sử dụng Tái sử dụng mùn cưa và bã gỗ để tạo năng lượng chủ yếu tập trung ở các nhà máy công nghiệp giấy và gỗ, tuy nhiên, tiềm năng nguyên liệu thực sự còn lớn hơn nhiều.
5.1.2.4 Bã nông nghiệp (Agricultural residues)
Chất thải nông nghiệp, bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, và vỏ trấu, là những sản phẩm dư thừa sau thu hoạch Hằng năm, khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, khiến phụ phẩm từ cây bắp trở thành nguồn sinh khối quan trọng cho năng lượng sinh học Ở những vùng khô, việc giữ lại chất thải nông nghiệp là cần thiết để bổ sung dinh dưỡng cho đất cho vụ mùa tiếp theo Tuy nhiên, đất không thể hấp thụ hết dinh dưỡng từ cặn bã, dẫn đến việc chúng không được tận dụng tối đa và bị mục rữa, gây thất thoát năng lượng.
Một giải pháp tiềm năng đang được áp dụng rộng rãi hiện nay là tận dụng bã thải từ ngành công nghiệp mía đường, chế biến gỗ và sản xuất giấy.
5.1.2.5 Chất thải từ gia súc (Livestock residues)
Chất thải gia súc như phân trâu, bò, heo và gà có thể chuyển hóa thành gas hoặc được đốt trực tiếp để cung cấp nhiệt và năng lượng Tại các nước đang phát triển, bánh phân thường được sử dụng làm nhiên liệu nấu nướng Tuy nhiên, phân gia súc có hàm lượng methane cao, gây ra nguy cơ tiềm ẩn do các chất độc hại sinh ra từ quá trình đốt, ảnh hưởng đến sức khỏe con người và môi trường Để giảm thiểu rủi ro, các trang trại cần áp dụng các phương pháp thích hợp trong việc sử dụng phân để sản xuất năng lượng Ngoài ra, chất thải này còn có thể được dùng để sản xuất nhiều sản phẩm và tạo ra điện thông qua các phương pháp tách methane và phân hủy yếm khí.
Ngoài ra, việc sử dụng phân súc vật để tại năng lượng ở qui mô lớn vẫn còn là một câu hỏi lớn vì những yếu tố sau:
Phân có giá trị tiềm năng lớn hơn khi được sử dụng cho các mục đích khác, chẳng hạn như bón cây, mang lại lợi ích rõ rệt cho nông dân.
- Phân là nhiên liệu có hiệu suất thấp, do đó người ta có khuynh hướng chuyển qua các dạng năng lượng sinh học khác có hiệu suất cao hơn
- Các tác động về môi trường và sức khỏe từ việc khai thác phân thải có phần tiêu cực hơn các dạng nhiên liệu sinh học khác
5.1.2.6 Các loại bã thải khác
- Chất thải củi gỗ đô thị
Chất thải củi gỗ là loại chất thải phổ biến nhất tại các công trường, bao gồm thân cây và các phần thừa sau khi cắt tỉa Những vật liệu này dễ dàng được thu gom sau các dự án và có thể được chuyển đổi thành phân trộn hoặc sử dụng làm nhiên liệu cho các nhà máy năng lượng sinh học.
- Chất thải rắn đô thị coa nguồn gốc hữu cơ
Chất thải tại các trung tâm thương mại, cơ quan, trường học và hộ gia đình chứa một lượng đáng kể các vật chất hữu cơ từ cây, tạo thành nguồn năng lượng tái tạo quý giá Các loại giấy thải, bìa cứng, thùng carton và chất thải gỗ là những ví dụ điển hình về nguồn sinh khối trong chất thải đô thị.
TÍNH TOÁN SỰ ĐỐT CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU SINH KHỐI
5.2.1 Các nguyên lý của quá trình cháy
Quá trình cháy là sự oxy hoá nhanh chóng của nhiên liệu, tạo ra nhiệt và ánh sáng Để quá trình đốt cháy diễn ra hoàn chỉnh, cần cung cấp một lượng oxy phù hợp.
Oxy (O2) là nguyên tố phổ biến nhất trên trái đất, chiếm 20.9% không khí Quá trình oxy hóa nhiên liệu diễn ra nhanh chóng, tạo ra lượng nhiệt lớn Để chuyển đổi nhiên liệu từ thể rắn hoặc lỏng sang dạng khí, cần phải sử dụng nhiệt Khi có đủ không khí, khí nhiên liệu sẽ cháy ở trạng thái bình thường.
Trong không khí, 79% là nitơ, cùng với một lượng nhỏ các thành phần khác Nitơ đóng vai trò là yếu tố pha loãng, giúp giảm nhiệt độ cần thiết để đạt được lượng oxy cần cho quá trình cháy.
Nitơ làm giảm hiệu suất cháy bằng cách hấp thụ nhiệt từ nhiên liệu và pha loãng khí trong lò, dẫn đến việc giảm nhiệt truyền qua bề mặt trao đổi nhiệt Ngoài ra, nitơ còn làm tăng khối lượng của các sản phẩm phụ của quá trình cháy, giúp chúng thoát ra ngoài ống khói nhanh hơn, tạo điều kiện cho hỗn hợp nhiên liệu-không khí mới được bổ sung.
Nitơ có khả năng kết hợp với oxy (O2) ở nhiệt độ cao để tạo ra NOx, một chất gây ô nhiễm độc hại Khi cacbon, hydro và lưu huỳnh trong nhiên liệu phản ứng với oxy trong không khí, chúng tạo ra CO2, hơi nước và SO2, đồng thời giải phóng nhiệt lượng lần lượt là 8.084 kcal, 28.922 kcal và 2.224 kcal Trong những điều kiện đặc biệt, cacbon có thể phản ứng với oxy để tạo ra CO, giải phóng một lượng nhiệt nhỏ (2.430 kcal/kg cacbon) Việc cacbon cháy trong CO2 sẽ tạo ra nhiều nhiệt hơn so với việc sinh ra CO hoặc khói.
Bảng 5.3 Các phản ứng cháy
TT PHẢN ỨNG CHÁY GHI CHÚ
4 S + O2 → SO2 + 2.224 kcal/kg lưu huỳnh
Mỗi kg CO được tạo thành đồng nghĩa với việc tổn thất 5654 kCal nhiệt
5.2.1.2 Ba chữ T của quá trình cháy
Mục tiêu của quá trình đốt cháy hiệu quả là tối ưu hóa việc giải phóng nhiệt từ nhiên liệu, điều này có thể đạt được thông qua việc kiểm soát ba yếu tố chính: (1) Nhiệt độ phải đủ cao để khởi động và duy trì sự cháy, (2) Sự khuấy trộn giữa nhiên liệu và oxy cần được tối ưu hóa, và (3) Thời gian đốt cháy phải đủ để hoàn tất quá trình này.
Nhiên liệu phổ biến như khí tự nhiên và prôban chứa cacbon và hydro, trong đó hơi nước là sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy hydro Hơi nước này làm mất nhiệt ở khí lò, dẫn đến việc giảm hiệu quả trao đổi nhiệt.
Khí tự nhiên chứa nhiều hydro và ít carbon hơn so với dầu nhiên liệu, dẫn đến việc sản sinh ra nhiều hơi nước hơn trong quá trình đốt cháy Điều này gây ra sự mất mát nhiệt lớn hơn khi sử dụng khí tự nhiên làm nguồn năng lượng.
Sự cân bằng giữa nhiên liệu và không khí là rất quan trọng để đảm bảo quá trình đốt cháy hoàn hảo, tránh tình trạng nhiên liệu không cháy hết hoặc sinh ra khí CO Để đạt được hiệu suất tối ưu, cần cung cấp một lượng O2 nhất định và một lượng khí dư, nhưng nếu khí dư quá nhiều sẽ dẫn đến tổn thất nhiệt và giảm hiệu suất hoạt động.
Không phải tất cả nhiên liệu đều chuyển hóa thành nhiệt trong thiết bị tạo hơi Thông thường, toàn bộ lượng hydro trong nhiên liệu sẽ được đốt cháy, và phần lớn nhiên liệu của lò hơi đạt tiêu chuẩn ô nhiễm khí cho phép, với hàm lượng lưu huỳnh thấp hoặc không có Thách thức lớn nhất đối với hiệu suất cháy là việc carbon không cháy hết, dẫn đến sự hình thành CO thay vì CO2 trong tro xỉ hoặc khí thải.
5.2.2 Tính lượng không khí cho quá trình đốt cháy
Thông thường các chất đốt ở thể lỏng và rắn phân tích gồm có các thành phần nguyên tố như C (carbon), H (hydrogen), S (lưu huỳnh), O (oxygen), N (nitrogen),
H2O (hơi nước) và Chất bẩn (không đốt cháy được như cát, sỏi đá, v.v.)
Trong 1 kg chất đốt chứa trọng lượng các nguyên tố như sau: c kg carbon (C) h kg hydrogen (H2) s kg lưu huỳnh (S) o kg oxygen (O2) n kg nitrogen (N2) w kg hơi nước (H2O) a kg tập chất
Như vậy 1 kg chất đốt thì tổng số lượng của tất cả các nguyên tố sẽ bằng 1, có nghĩa là:
Nếu loại tạp chất và hơi nước (người ta thường dùng cách phân tích này cho than đá), phương trình trên sẽ trở thành
Bảng 5.4 Thí dụ thành phần hoá học và tỉ lệ của một số chất đốt
TT Thành phần Than đá Dầu nặng Dầu nhẹ Gỗ Rơm từ lúa mì
5.2.2.1 Tính lượng không khí cần thiết cho sự đốt cháy 1 kg chất đốt
- Giả sử phản ứng xảy ra hoàn toàn, có nghĩa là C sẽ cháy hết và cho ra CO2 và
H sẽ cháy cho ra H2O và S sẽ cho SO2
1 kg C + kmol O2 = kmol CO2 c kg C + kmol O2 = kmol CO2 c kg C + nm3 O2 = nm3 CO2 c kg C + kg O2 = kg CO2
1 kg H2 + kmol O2 = kmol H2O h kg H2 + kmol O2 = kmol H2O h kg H2 + nm3 O2 = nm3 H2O h kg H2 + kg O2 = kg H2O h kg H2 + 8 h kg O2 = 9 h kg H2O
1 kg S + kmol O2 = kmol SO2 s kg S + kmol O2 = kmol SO2 s kg S + nm3 O2 = nm3 SO2 s kg S + kg O2 = kg SO2 s kg S + s kg O2 = 2 s kg SO2
Giả sử N (nitrogen) không tham gia phản ứng cháy
Như vậy oxygen tối thiểu để đốt cháy hoàn toàn 1 kg chất đốt như sau:
(5.2-7) và trọng lượng KK tối thiểu là
(5.2-8) trong KK có 23,20% là O2 và 76,8% là N2
Và thể tích KK tối thiểu là
(5.2-10) trong KK có 21% thể tích O2 và 79% thể tích N2
5.2.2.2 Tính lượng chất thải từ sự đốt cháy của chất lỏng và rắn
Trong khói sẽ gồm có:
- (44/12) c kg CO2 do phản ứng C + O2 = CO2
- (9 h + w) kg H2O do phản ứng 2H2 + O2 = 2H2O và do từ chất đốt (w kg)
- 2 s kg SO2 do ph ản ứng S + O2 = SO2
- (n + 0,768×KKtl) kg nitrogen (n kg từ chất đốt và 0,768×KKtl từ KK)
- a kg tạp chất, không cháy được
Phản ứng cháy hoàn toàn hiếm khi xảy ra trong thực tế, vì vậy người ta thường sử dụng lượng không khí nhiều hơn khoảng 10% so với lượng không khí tối thiểu cần thiết cho cháy hoàn toàn.
- Các phản ứng không xảy ra cùng một lúc
Phản ứng hóa học phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ của các chất tham gia Để tăng cường sự hòa trộn giữa chất đốt và không khí, người ta sử dụng hiện tượng rối loạn (turbulence).
Khi xảy ra rối loạn, nhiệt độ sẽ biến đổi không chỉ theo không gian mà còn theo thời gian, dẫn đến những phản ứng trở nên phức tạp hơn.
- N sẽ kết hợp với O2 cho ra NO và NO2 gọi chung là NOx, chất này là mầm móng gây bệnh ung thư
- S (lưu huỳnh) trong chất đốt cũng sẽ kết hợp với O2 cho ra SOx, tạo acid sẽ làm ô nhiễm môi trường.
TRUYỀN NHIỆT TRONG NẤU ĂN
Nhiệt là nguồn năng lượng cơ bản giúp biến đổi thức ăn trong quá trình nấu nướng Trong bếp lò, nhiệt được truyền đi qua ba phương pháp chính: dẫn nhiệt (conduction), đối lưu (convection) và bức xạ (radiation).
Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt năng từ vật này sang vật khác, từ phần này sang phần khác của vật
Khi nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt trong vật thể, Fourier phát hiện rằng lượng nhiệt dQ truyền qua bề mặt dF trong thời gian dτ tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ, thời gian và diện tích bề mặt.
Khi nấu ăn, nhiệt từ bếp lửa truyền qua đáy nồi, chảo hoặc ấm nước, làm nóng thực phẩm và nước tiếp xúc với chúng Nhiệt độ sau đó lan tỏa ra xung quanh, giúp thực phẩm chín hoặc nước sôi Độ dẫn nhiệt ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như hệ số dẫn nhiệt, nhiệt độ, cấu trúc vật liệu và áp suất Hệ số dẫn nhiệt là yếu tố quan trọng, vì vậy khi lựa chọn vật liệu cho bếp và nồi, cần căn cứ vào chỉ số này.
Hệ số dẫn nhiệt của các chất phụ thuộc vào nhiệt độ, thường tăng khi nhiệt độ tăng Đối với vật thể rắn đồng chất, mối quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt λ và nhiệt độ t gần như là một đường thẳng Hệ số dẫn nhiệt λ ở 0 o C được ký hiệu là λo, trong khi b là hệ số nhiệt độ được xác định qua thực nghiệm và phụ thuộc vào tính chất của vật liệu.
Bảng 5.5 Hệ số dẫn nhiệt một số vật liệu
STT Tên vật liệu (W/m 0 C) Ghi chú
9 Nước ở điều kiện bình thường 0.593
5.3.2 Đối lưu Đối lưu nhiệt: là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi có sự dịch chuyển của khối chất lỏng hoặc chất khí trong không gian từ vùng có nhiệt độ này đến vùng có nhiệt độ khác.
Hiện tượng đối lưu xảy ra do sự khác biệt về nhiệt độ và khối lượng riêng của các phần tử khí hoặc lỏng Các phần tử có nhiệt độ cao hơn, với khối lượng riêng nhỏ hơn, sẽ nổi lên, trong khi các phần tử có nhiệt độ thấp hơn, với khối lượng riêng lớn hơn, sẽ chìm xuống Đối lưu chỉ xảy ra trong môi trường chất lỏng hoặc khí, vì sự truyền nhiệt luôn gắn liền với chuyển động của môi trường.
Quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt rắn và môi trường chất lỏng hoặc khí diễn ra đồng thời thông qua hai cơ chế chính là dẫn nhiệt và đối lưu.
Quá trình đối lưu có thể diễn ra theo 2 cách:
- Đối lưu nhiệt tự nhiên xảy ra khi giữa các phần tử có nhiệt độ khác nhau và có khối lượng riêng khác nhau
Đối lưu nhiệt cưỡng bức là quá trình tạo ra sự lưu thông nhiệt bằng cách sử dụng các thiết bị bên ngoài như bơm, quạt hoặc khuấy trộn So với đối lưu tự nhiên, vận tốc của quá trình này cao hơn rất nhiều, giúp tăng cường hiệu quả truyền nhiệt trong các ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật.
Khi nấu ăn, nhiệt độ được truyền từ đáy nồi lên trên thông qua quá trình đối lưu, trong đó các dòng nước và khí di chuyển từ dưới đáy nồi lên miệng nồi.
Bức xạ nhiệt: là kiểu truyền nhiệt đặc biệt bằng tia, tia đó mang năng lượng và vật hấp thu tia đó chuyển năng lượng thành dạng nhiệt
Một vật có nhiệt độ thì chắc chắc sẽ phát ra tia bức xạ Vật có nhiệt độ càng cao thì lượng bức xạ phát ra càng lớn
Khi một vật có nhiệt độ thấp được đặt gần một vật có nhiệt độ cao, nếu vật lạnh phát ra tia bức xạ, thì vật nóng vẫn sẽ hấp thu tia bức xạ đó, điều này khác với hiện tượng dẫn nhiệt.
Vật thể có màu đen hấp thụ nhiều tia bức xạ, trong khi vật thể màu trắng phản xạ nhiều tia bức xạ Vật thể phản xạ toàn bộ tia bức xạ được gọi là vật trắng tuyệt đối.
Khi đốt nhiên liệu hoặc nung nóng vật liệu, chúng phát ra tia năng lượng được truyền đến đáy nồi Đáy nồi hấp thu nguồn năng lượng này và chuyển hóa thành nhiệt năng.
Hình 5.4 Quá trình bức xạ nhiệt
Các thành phần của năng lượng bức xạ
Qo: dòng chiếu đến; QA: hấp thu ; QR: phản xạ; QD: xuyên qua
THIẾT KẾ MỘT SỐ MẪU BẾP LÒ SỬ DỤNG ĐA NHIÊN LIỆU
5.4.1 Thiết kế mẫu bếp lò sử dụng cho hộ gia đình
Yêu cầu kỹ thuật cho bếp bao gồm công suất đun nấu phù hợp cho 4-10 người ăn hàng ngày, với khả năng đun nước và thức ăn bằng 1-2 bếp con và 1-2 nồi có thể tích từ 3-8 lít Về kết cấu, bếp cần đảm bảo tính ổn định và an toàn trong quá trình sử dụng.
- Bếp có kết cấu phù hợp từ 2-3 nồi đun đồng thời, với dãy kích thước từ 18 đến 24 cm
- Kích thước nhỏ gọn, dễ di chuyển
- Bền vững về chịu lực và nhiệt độ
- Tập trung nhiệt vùng các đáy nồi,
- Sử dụng được nhiều loại nhiên liệu, (có thể thay đổi cửa nạp và xả tro phù hợp)
- Nhiên liệu cháy có hiệu suất tỏa nhiệt cao, tổn thất nhỏ
- Thu gom được khói lò, khói bếp không đi qua đáy nồi, đảm bảo sức khỏe cho người nấu
Để giảm thiểu tổn thất nhiệt qua thành lò và đáy lò, việc lựa chọn vật liệu làm bếp là rất quan trọng; chúng cần có khả năng chịu nhiệt, cách nhiệt tốt, đồng thời dễ chế tạo và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm Bếp nên có khả năng sử dụng đa nhiên liệu như củi, than tổ ong, khí ga, hoặc các phụ phẩm nông nghiệp như trấu, mạt cưa, và rơm rạ, chỉ cần điều chỉnh nhẹ trong cấu trúc cửa nạp liệu và cấp khí Cuối cùng, bếp cần được thiết kế để dễ sử dụng, chăm sóc và đảm bảo an toàn trong quá trình nấu nướng.
Hình 5.5 Kết cấu mẫu bếp sử dụng cho hộ gia đình
1- Giá đỡ; 2-thân bếp; 3-thiết bị thu nhiệt tận dụng; 4-nồi; 5- ống khói; 6- buồng đốt chính; 7- buồng đốt phụ
5.4.1.2 Các bộ phận chính của bếp
Giá đỡ bếp được thiết kế chắc chắn với khung thép V40x40x4, hàn bao quanh bếp để đảm bảo độ bền Phần trên được đổ bằng tấm đan bê tông cốt thép dày 40mm, giúp tăng cường khả năng chịu lực Dưới đáy, giá đỡ được trang bị 3 bánh xe có đường kính lớn, thuận tiện cho việc di chuyển.
150mm Giá đỡ bếp dùng để đỡ và di chuyển bếp
Thân bếp được xây dựng từ các vật liệu như gạch, xi măng, cát và đất sét Xung quanh, thân bếp được xây bằng gạch chỉ, trong khi bên trong sử dụng gạch vỡ và đất sét Bên ngoài được ốp gạch men để tăng tính thẩm mỹ Thiết kế của thân bếp bao gồm một buồng đốt chính, một buồng đốt phụ, một cửa cấp nhiên liệu và một lỗ thông ống khói.
- Bộ thu nhiệt tận dụng: Được chế tạo bằng ống kẽm có đường kính 15/21mm
Bộ thu nhiệt được thiết kế uốn cong bao quanh lò chính và lò phụ, với một đầu nối vào nguồn nước và đầu còn lại kết nối với hệ thống sấy hơi, cung cấp nước nóng sạch và đảm bảo vệ sinh Để tăng cường an toàn và tiện lợi, hệ thống còn được trang bị van an toàn, đồng hồ đo nhiệt độ và đồng hồ đo áp suất nước nóng.
Bộ trao đổi nhiệt nước nóng được làm từ thép không gỉ với đường kính 16/21mm, thiết kế nhằm tối ưu hóa việc trao đổi và tận dụng nhiệt từ nước nóng Thiết bị này phục vụ nhiều nhu cầu của người sử dụng, bao gồm sấy khô chén đũa, cung cấp nước sôi cho việc nấu nướng và sát trùng các dụng cụ khác.
Hình 5.9 Bộ trao đổi nhiệt
Ống khói được chế tạo từ ống thép mạ kẽm, có chức năng hút khói từ bếp lò và thải ra ngoài, đồng thời tạo ra hiện tượng đối lưu giúp không khí từ bên ngoài lưu thông vào buồng đốt chính.
- Giá đỡ than tổ ong: được chế tạo bằng vỏ tôn, bên trong là đất sét Giá đỡ dùng cho một viên than tổ ong để nấu ỉ 180 ỉ 140
Hình 5.10 Giá đỡ than tổ ong
5.4.2 Thiết kế mẫu bếp dùng cho nhà hàng, quán ăn tập thể
Bếp cần đáp ứng công suất đun nấu phù hợp cho 50-100 người ăn hàng ngày, với khả năng đun nước và thức ăn bằng 1-2 bếp và 1-3 nồi có đường kính 50cm Đồng thời, kết cấu của bếp cũng phải được thiết kế hợp lý để đảm bảo hiệu suất sử dụng tối ưu.
- Kích thước nhỏ gọn, dễ di chuyển
- Bền vững về chịu lực và nhiệt độ
- Tập trung nhiệt vùng các đáy nồi,
- Sử dụng được nhiều loại nhiên liệu, (có thể thay đổi cửa nạp và xả tro phù hợp)
- Nhiên liệu cháy có hiệu suất tỏa nhiệt cao, tổn thất nhỏ
- Thu gom được khói lò, khói bếp không đi qua đáy nồi, đảm bảo sức khỏe cho người nấu
Để giảm thiểu tổn thất nhiệt qua thành lò và đáy lò, vật liệu làm bếp cần có khả năng chịu nhiệt và cách nhiệt tốt, đồng thời phải dễ chế tạo và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm Bếp nên sử dụng đa nhiên liệu như củi, than tổ ong, khí ga hoặc các phế phụ phẩm nông nghiệp như trấu, mạt cưa, rơm rạ và bả mía, chỉ cần điều chỉnh nhẹ trong cấu trúc cửa nạp liệu và cấp khí Cuối cùng, bếp cần dễ sử dụng, bảo trì và an toàn trong quá trình nấu nướng.
Hình 5.11 Kết cấu mẫu bếp dùng cho nhà hàng
1- Giá đỡ; 2- thân bếp; 3- thiết bị thu nhiệt tận dụng; 4- nồi; 5- ống khói
5.4.2.2 Các bộ phận chính của bếp
Giá đỡ bếp được chế tạo từ khung thép V50x50x4, với thiết kế hàn chắc chắn bao quanh bếp Phần trên được lắp đặt tấm đan bê tông cốt thép dày 40mm, đảm bảo độ bền và ổn định Dưới đáy, sản phẩm được trang bị 3 bánh xe có đường kính lớn, giúp di chuyển dễ dàng và linh hoạt.
150mm Giá đỡ bếp dung để đỡ và di chuyển bếp
Thân bếp được xây dựng từ các vật liệu như gạch, xi măng, cát và đất sét, với cấu trúc bên ngoài được làm bằng gạch chỉ và bên trong bằng gạch vỡ kết hợp với đất sét Bề mặt ngoài được ốp gạch men để tăng tính thẩm mỹ Thiết kế của thân bếp bao gồm hai buồng đốt chính, hai cửa cấp nhiên liệu và hai lỗ thông ống khói, đảm bảo hiệu suất sử dụng cao và an toàn trong quá trình nấu nướng.
- Bộ thu nhiệt tận dụng: Được chế tạo bằng ống kẽm có đường kính 22/27mm
Bộ thu nhiệt được thiết kế uốn cong quanh phần trên của lò chính và lò phụ, với một đầu nối vào nguồn nước và đầu còn lại kết nối với hệ thống sấy hơi Điều này giúp cung cấp nước nóng sạch và đảm bảo vệ sinh Để đảm bảo an toàn và thuận tiện trong quá trình sử dụng, hệ thống còn được trang bị van an toàn, đồng hồ đo nhiệt độ và đồng hồ đo áp suất nước nóng.
Bộ trao đổi nhiệt nước nóng được chế tạo từ thép kẽm với đường kính 15/21mm, phục vụ nhu cầu trao đổi nhiệt cho nước nóng Thiết bị này rất hữu ích trong việc sấy khô chén đũa và các vật dụng khác, đáp ứng nhu cầu sử dụng của người tiêu dùng.
Ống khói, thường được chế tạo từ ống sứ hoặc ống thép, có chức năng chính là hút khói từ bếp lò và thải ra ngoài Điều này tạo ra hiện tượng đối lưu, giúp không khí lưu thông từ bên ngoài vào buồng đốt chính.
Giá đỡ than tổ ong và đầu bếp gas được chế tạo từ vỏ tôn chắc chắn, bên trong được lấp đầy bằng đất sét Sản phẩm này được thiết kế để sử dụng với ba viên than tổ ong, có kích thước 500x400x140 mm, mang lại hiệu quả tối ưu cho việc nấu nướng.
Hình 5.14 Giá đỡ than tổ ong
5.4.3 Kích thước tiêu chuẩn của các loại xoong nồi, than tổ ong
5.4.3.1 Kích thước tiêu chuẩn của các loại xoong nồi