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 lò, biểu tượng của Ông Táo, Bà Táo và thần lửa, đã trở thành một dụng cụ thiết yếu trong mỗi gia đình từ xa xưa Từ khi con người biết tạo ra lửa để nấu nướng, bếp lò đã trải qua hàng ngàn năm biến đổi về hình dáng và công nghệ Nhiều nhà khoa học và khảo cổ học đã ghi chép lại sự phát triển này như một phần của lịch sử, minh chứng cho sự tiến bộ của chiếc bếp cũng như sự tiến hóa của nhân loại.
Hình 1.1 Bếp củi truyền thống
Các nhà khảo cổ học cho rằng con người đã bắt đầu học cách sử dụng lửa khoảng 1 triệu năm trước Thời gian từ khi biết dùng lửa đến khi biết nấu chín thực phẩm không kéo dài lâu, vì thực phẩm nấu chín sẽ ngon và dễ ăn hơn thực phẩm sống Các di tích từ thời đồ đá cho thấy có những lỗ hõm trên mặt đất, kèm theo miếng đá, chứng minh vị trí đốt lửa Thực phẩm thường được xiên qua cây và nướng trên ngọn lửa hoặc cuộn trong đất sét, lá cây và vùi vào than hồng.
Cho đến thời trung cổ, phương pháp nấu ăn vẫn không có nhiều thay đổi Vào thời điểm này, lò nướng được sử dụng để đốt lửa thay vì nấu trực tiếp trên nền đất, và chúng được nâng cao trên các chân hoặc phiến đá Tuy nhiên, việc thoát khói vẫn chưa được giải quyết hiệu quả, chỉ có các đường rạch thô sơ trên tường và nóc để khói thoát ra.
Từ thế kỷ thứ 9, lò đốt lửa đã được cải tiến thành lò sưởi, 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 Cuối thế kỷ 19, lò bằng gang, hay còn gọi là máy nấu, xuất hiện với nhiều kích cỡ và hình dạng khác nhau, được chạm trổ và điêu khắc như một vật trang trí trong nhà.
Bếp gas, một phát minh mới xuất hiện vào cuối thế kỷ 19 tại Đức, đã nhanh chóng trở thành lựa chọn phổ biến từ thế kỷ 19 sang 20 Với ưu điểm nổi bật là khả năng tập trung nhiệt năng hiệu quả, bếp gas đã chứng minh sự tiện lợi và hiệu suất cao trong việc nấu nướng.
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, và từ đó, nhiều phương pháp nấu ăn đã trở thành một phần không thể thiếu trong mỗi gia đình, bao gồm hơi nóng, hơi lạnh, nướng và lò vi sóng Lò vi sóng hoạt động bằng tần số cao, với sóng điện tử 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 sóng tác động, 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 bằng cảm ứng đã xuất hiện trên thị trường, có thiết kế tương tự như bếp điện với mặt bếp bằng caran Điểm khác biệt nổi bật là bếp cảm ứng không nóng khi không có nồi đặt lên Bằng cách sử dụng cuộn đồng cảm ứng, bếp tạo ra dòng điện hai chiều, tạo ra từ trường biến đổi nhanh chóng Khi nồi nấu bằng kim loại có từ tính được đặt lên bếp, từ trường này sẽ tạo ra điện áp trong đáy nồi, dẫn đến dòng điện eddy current chạy trong đáy nồi, làm nóng nhanh chóng cả đáy nồi và thực phẩm bên trong.
Nấu ăn bằng bếp từ là một phương pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả Nồi nấu phản ứng nhanh chóng với sự thay đổi nhiệt độ, tương tự như bếp gas, và thời gian làm nóng nhanh hơn bếp gas.
Như vậy, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật thì những chiếc bếp ngày trước
Bếp cồng kềnh hiện nay đã được thiết kế đẹp mắt và sang trọng hơn, nhờ vào việc áp dụng các kỹ thuật tiên tiến Điều này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn làm cho việc chùi rửa hàng ngày trở nên dễ dàng hơn 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, đặc biệt là tại Châu Phi, nơi việc áp dụng công nghệ này 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 sở hữu ít nhất một bếp cải tiến Tuy nhiên, sau khi chương trình kết thúc, việc thiếu cơ chế chính sách đã dẫn đến sự giảm sút trong việc sử dụng bếp cải tiến 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 khởi động chương trình nghiên cứu và triển khai bếp đun cải tiến, dự kiến thực hiện tại 30 trong số 75 huyện, với mục tiêu lắp đặt khoảng 250.000 bếp.
Năm 2008, tổ chức VPA (Voluntary Program Activities) đã nghiên cứu và cải tiến bếp kiềng tại Peru, xây dựng 82.099 bếp với mục tiêu giảm 74.233 tấn gỗ và 331.754 tấn CO2 mỗi năm đến năm 2011 Việc sử dụng bếp truyền thống không chỉ gây lãng phí tài nguyên mà còn dẫn đến nhiều bệnh về hô hấp Theo số liệu của VPA, vào năm 2004, tình trạng này đã trở thành vấn đề nghiêm trọng.
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 nghiên cứu và cải tiến các bếp tiết kiệm củi từ rất sớm Vào năm 2000, ECO cùng với dự án LSNG đã tiến hành 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 giao thực hiện chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả Chương trình này tập trung vào việc cải thiện năng lượng cho nông, lâm nghiệp tại các hộ gia đình nông thôn.
Tại ba tỉnh Phú Thọ, Thanh Hoá và Hòa Bình, 1500 bếp cải tiến đã 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.
Vào năm 2011, Hội Liên hiệp phụ nữ huyện Định Hóa, tỉnh Thái Nguyên đã thực hiện thí điểm 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 của nhiều tổ chức và cá nhân Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chủ yếu tập trung vào việc tiết kiệm củi mà chưa giải quyết triệt để tình trạng khai thác gỗ bừa bãi từ rừng.
Hình 1.2 Bếp tiết kiệm năng lượng TK90
Việc sử dụng chất thải từ sản xuất nông nghiệp làm nguồn năng lượng đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi, bao gồm các phương pháp như sản xuất củi trấu, than cốt dừa và khí gas từ chất thải.
Chi phí sản xuất cao khiến sản phẩm than bánh chỉ phù hợp cho 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 sử dụng lõi ngô cho việc nấu ăn hàng ngày vẫn chưa được phổ biến.
CÁC LOẠI BẾP ĐUN, LÒ ĐỐT
Bếp ba chân là một loại bếp đơn giản được cấu tạo từ ba cục đá, ba viên gạch hoặc vành thép với ba chân Nhiên liệu chính sử dụng cho bếp này là các phụ phẩm từ nông - lâm nghiệp như rơm, rạ, lõi ngô, trấu và củi.
Hiện nay, tại Việt Nam, nhiều hộ nông dân vẫn sử dụng củi, rơm, rạ và các loại nhiên liệu tự nhiên khác cho việc nấu nướng hàng ngày, đặc biệt là ở các khu vực miền núi và nông thôn Theo nghiên cứu, khoảng 56% dân số Việt Nam vẫn đang sử dụng củi làm nguồn năng lượng chính trong sinh hoạt hàng ngày.
Bếp này có hiệu suất nhiệt thấp, tạo ra nhiều khói bụi và khí độc hại, gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe, đặc biệt là các bệnh về mắt và đường hô hấp cho người sử dụng.
Bếp ba mặt lò là loại bếp được thiết kế kín, cho phép nồi được đặt trực tiếp lên tấm sắt hoặc trên lửa Ưu điểm của bếp này là giảm thiểu lượng củi tiêu thụ 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 đường kính đa dạng, phù hợp cho nhiều kích cỡ nồi khác nhau Người dùng có thể nấu trực tiếp trên ngọn lửa khi tháo vòng ra, hoặc nấu gián tiếp qua miếng sắt khi sử dụng vòng Tuy nhiên, do đáy nồi thường cong, việc tiếp xúc nhiệt không đạt hiệu quả tối ưu 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 là lựa chọn phổ biến nhờ giá thành rẻ và dễ sử dụng Nó cho phép gia nhiệt tùy chọn, kiểm soát ngọn lửa dễ dàng và nấu nướng nhanh chóng Gas không kén nồi nấu, có thể sử dụng hầu hết các loại nồi với chất liệu và đường kính khác nhau, miễn là vừa với kiềng và bề mặt bếp.
Hiệu suất nấu ăn của bếp gas chỉ đạt 60%, chủ yếu do lãng phí nhiệt năng khi đốt nóng không khí Việc sử dụng lửa gas để nấu ăn không chỉ tạo ra khí CO, ảnh hưởng xấu đến môi trường, mà còn tiềm ẩn nguy cơ rò rỉ khí gas, dẫn đến ngộ độc hoặc cháy nổ Thêm vào đó, thiết kế kiềng bếp và vòng lửa liền khối gây khó khăn trong 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, tuy nhiên lại có giá thành rẻ và dễ dàng thay thế.
Hình 1.7 Bếp điện sử dụng dây điện trở
Bếp điện từ, hay bếp từ, là loại bếp hoạt động dựa trên nguyên lý tăng nhiệt nhờ dòng điện cảm ứng từ Dòng điện xoay chiều qua dây lò xo tạo ra từ trường, kích thích các đường cảm ứng điện từ trong từ trường Những dòng điện cảm ứng nhỏ này xuất hiện qua phần đế bằng sắt dưới đáy nồi, làm nóng thân nồi và nấu chín thức ăn hiệu quả.
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 này 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 Đây là lựa chọn lý tưởng 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 đá, gạch hoặc các vật liệu 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 một loại bếp phổ biến ở 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 này thường gây tổn thất nhiệt lớn và phát sinh khói bụi, ảnh hưởng tiêu cực đến sức khỏe của người sử dụng.
Hình 1.11 Bếp lò di động
Bếp được chế tạo từ đất sét và các chất phụ gia hoặc thép phế liệu, sử dụng than củi, than đá, củi gỗ và phụ phẩm xenlulozo làm chất đốt Loại bếp này có kích thước nhỏ gọn, dễ di chuyển, chi phí thấp và hiệu suất nhiệt cao hơn so với bếp truyền thống, nên rất phổ biến trên thị trường.
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 làm từ đất sét và gạch, có khả năng sử dụng với nhiều loại nhiên liệu và mang lại hiệu suất nhiệt cao Với thiết kế ống dẫn khói gọn gàng, bếp không chỉ sạch sẽ mà còn 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 công nghệ tiên tiến ứng dụng hiện tượng đối lưu không khí, sử dụng đa dạng chất đốt với hiệu suất nhiệt cao, giúp giảm tổn thất nhiệt ra môi trường so với bếp truyền thống Bếp này dễ di chuyển, giảm phát thải khí độc hại như CO, SO2, NOx, và chuyển hóa năng lượng thành nhiệt đến 80-90%, để lại ít bụi than và khí thải Việc lựa chọn bếp tiết kiệm năng lượng là giải pháp tối ưu và tiết kiệm chi phí cho các hộ gia đình nông thôn thay thế bếp nấu 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, bao gồm giảm 30% tiêu thụ chất đốt, không còn khói bụi và giảm gần một phần ba thời gian nấu nướng cho mỗi bữa ăn.
Sử dụng bếp đun cải tiến, mỗi hộ gia đình có thể tiết kiệm từ 1,4-1,5 tấn củi mỗi năm, tương đương khoảng 950 kg than cám 6 về mặt năng lượng Việc nhân rộng mô hình bếp đun cải tiến không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể trong tiết kiệm năng lượng mà còn góp phần bảo vệ môi trường.
Bếp có thể được phân loại thành ba loại cơ bản dựa trên nguồn nhiên liệu sử dụng: 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 tận dụng nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, chúng cũng có những hạn chế như phụ thuộc vào thời tiết, chỉ hoạt động hiệu quả trong mùa nắng nóng và cần phải nấu ăn ngoài trời, đồng thời cần điều chỉnh nhiệt độ theo hướng di chuyển của mặt trời.
Bếp 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, điều này khiến cho sản phẩm chưa được phổ biến rộng rãi Chúng thường chỉ phù hợp với những khu vực có nhiều nắng và nơi mà các nguồn năng lượng khác khó khăn để tiếp cận.
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 tạo ra từ quá trình lên men phân động vật và chất hữu cơ trong môi trường thiếu oxy Vi sinh vật phân hủy các chất này, sản sinh ra các 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 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 Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nếu hệ thống không kín, sẽ gây ra ô nhiễm mùi hôi, đồng thời chi phí đầu tư ban đầu có thể cao và thiếu kiến thức sử dụng đúng cách có thể dẫn đến sản lượng khí thấp và tuổi thọ hầm giảm.
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
Bếp này rất phù hợp với quy mô hộ gia đình Việt Nam, 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 sử 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 đốt những nguyên liệu này bằng bếp truyền thống hoặc đốt trực tiếp đang gây ô nhiễm môi trường không khí, đất và nước ở nhiều địa phương.
KHẢO SÁT TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BẾP ĐUN SINH KHỐI Ở THÀNH PHỐ HUẾ
Hiện nay, các hộ gia đình tại thành phố Huế chủ yếu sử dụng bếp gas và bếp hồng ngoại do tính tiện lợi và dễ dàng trong quá trình nấu nướng Những loại bếp này cho phép nấu ăn nhanh chóng mà không cần mồi lửa, đồng thời hạn chế khói và bụi, mang lại không gian sạch sẽ cho căn bếp.
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 một nguồn nhiên liệu truyền thống phổ biến, được thu thập từ rừng và các khu vực không có rừng như 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, sấy khô và đóng gói, mang lại sự tiện lợi trong quá trình vận chuyển.
Than củi, được sản xuất từ củi gỗ, có trọng lượng nhẹ và năng suất nhiệt cao hơn so với củi gỗ truyền thống Ngoài ra, than củi sinh 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 than đá không chỉ gây ra khói độc hại mà còn ảnh hưởng 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 triết 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, sản phẩm từ Ethanol, là một chất lỏng không màu và dễ bay hơi, nổi bật với mùi đặc trưng Khi cháy, nó tạo ra ngọn lửa màu xanh cùng với khí CO2 và H2O.
NHIÊN LIỆU Ở THỂ KHÍ
Khí thiên nhiên là nguồn nhiên liệu công nghiệp quan trọng, được sử dụng rộng rãi trong các bếp ga và lò ga để nấu nướng và sấy khô Ngoài ra, khí thiên nhiên còn được đốt trong các lò gạch, lò gốm và lò cao để sản xuất xi măng Nó cũng đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng cho các tua-bin nhiệt điện, lò nấu thủy tinh, lò luyện kim loại, và trong ngành chế biến thực phẩm.
Khí thiên nhiên là nguyên liệu quan trọng trong ngành hóa dầu, giúp sản xuất các chất hóa dầu Những chất này đóng vai trò cơ sở cho việc sản xuất phân đạm, bột giặt, dược phẩm, chất dẻo và nhiều loại hàng hóa khác.
NĂNG LƯỢNG KHÁC
Năng lượng tái tạo, hay còn gọi là năng lượng tái sinh, là nguồn năng lượng vô hạn từ các yếu tố tự nhiên như mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt Nguyên tắc cơ bản của việc sử dụng năng lượng này là khai thác năng lượng từ các quy trình tự nhiên diễn ra liên tục và áp dụng vào các công nghệ kỹ thuật Năng lượng tái tạo đang dần thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
Năng lượng tái tạo có mặt ở nhiều vùng địa lý, khác với các nguồn năng lượng truyền thống chỉ tồn tại ở một số quốc gia Việc áp dụng nhanh chóng và hiệu quả năng lượng tái tạo đóng vai trò quan trọng trong an ninh năng lượng, giảm thiểu biến đổi khí hậu và mang lại lợi ích kinh tế Các khảo sát toàn cầu cho thấy sự ủng hộ mạnh mẽ đối với phát triển và sử dụng năng lượng tái tạo, đặc biệt là 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 liên quan đến lý thuyết, thành tựu và kết quả nghiên cứu đã được công bố bởi các đồng nghiệp Điều này bao gồm việc tìm hiểu các chủ trương, chính sách liên quan đến chủ đề nghiên cứu cũng như các số liệu thống kê có liên quan.
Nghiên cứu tài liệu từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm tạp chí và báo cáo khoa học trong và ngoài ngành, sách giáo khoa, các tác phẩm khoa học, tài liệu lưu trữ và số liệu thống kê, cũng như thông tin từ mạng, là rất quan trọng để thu thập kiến thức và nâng cao hiểu biết trong lĩnh vực nghiên cứu.
PHƯƠNG PHÁP PHỎNG VẤN CHUYÊN GIA
Tiến hành trao đổi với các chủ nhà hàng và bếp ăn tập thể để 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 nhằm tối ưu hóa quá trình nấu nướng.
- 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 từ sinh vật sống, không bao gồm nguyên liệu hoá thạch Trong sản xuất năng lượng và công nghiệp, sinh khối được sử dụng làm nhiên liệu và nguyên liệu cho các quy trình sản xuất Thông thường, sinh khối bao gồm phần chất của cây trưởng thành, cũng như các chất từ động vật, được dùng để sản xuất sợi, hoá chất hoặc tạo nhiệt Điều này phân biệt sinh khối với các vật liệu hữu cơ khác 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 lưu trữ từ nhiều nguồn sẵn có Nó bao gồm than thực vật, có khả năng thay thế dầu, góp phần vào sự bền vững trong việc cung cấp năng lượng.
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 là nguồn tài nguyên tái tạo quan trọng, bao gồm cây cối, chất xơ gỗ, chất thải từ 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 lưu trữ năng lượng mặt trời trong tế bào cellulose và lignin thông qua quá trình quang hợp Cellulose, một chuỗi polymer của các phân tử đường, đóng vai trò quan trọng trong việc tích trữ năng lượng.
Lignin, một hợp chất 6-carbon, đóng vai trò 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 cùng với khí CO2 và hơi nước Sản phẩm phụ của quá trình 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 qua xử lý, như bột giấy, chất thải nông lâm nghiệp, chất thải gỗ đô thị, chất thải rắn đô thị, khí từ hố chôn lấp, và chất thải gia súc Ngoài ra, các giống cây năng lượng, được trồng chủ yếu để khai thác năng lượng, cũng là một phần quan trọng 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 tự phân hủy không chỉ hiệu quả mà còn 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 chất dinh dưỡng hoặc nguyên tố hóa học Tuy nhiên, việc sử dụng chất bã rất 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 cellulose, trong đó lignin dễ dàng phân hủy hơn cellulose do tính chất hóa học và vật lý của nó Quá trình nghiền nhão giúp tách rời các sợi lignin, từ đó làm cho cellulose được tách ra để sản xuất giấy Bột giấy dư thừa từ quá trình này tạo ra chất bã, là sản phẩm phụ của việc đốn và xử lý gỗ Trong quá trình chế biến gỗ, ngoài giấy, còn phát sinh mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây và lá cây.
5.1.2.3 Bã cây rừng (Forestry residues)
Chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ quá trình làm thưa rừng, sinh khối không được thu hoạch tại các khu vực đốn gỗ và vật liệu dư thừa trong quản lý rừng Việc tận dụng bã cây rừng mang lại lợi ích lớn, vì phần lớn nguồn nguyên liệu này được sản xuất từ các nhà máy giấy và chế biến gỗ, giúp dễ dàng sử dụng Mặc dù việc tái sử dụng mùn cưa và bã gỗ chủ yếu tập trung ở các nhà máy công nghiệp, nhưng tiềm năng nguyên liệu thực sự còn lớn hơn rất nhiều.
5.1.2.4 Bã nông nghiệp (Agricultural residues)
Chất thải nông nghiệp, bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ, vỏ trấu, là các sản phẩm dư thừa sau thu hoạch và sơ chế 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 bã 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 các chất này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa, gây thất thoát năng lượng.
Một giải pháp tiềm năng 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 được chuyển hóa thành gas hoặc đốt trực tiếp để cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng Ở 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 sức khỏe cho người tiêu dùng và tác động tiêu cực đến môi trường khi đốt Để giảm thiểu mối nguy hại này, các trang trại cần áp dụng các phương pháp thích hợp trong việc sản xuất năng lượng từ phân Ngoài ra, chất thải này có thể được sử dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm và tạo ra điện năng thông qua 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 cho cây trồng, 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 nguồn chất thải lớn nhất tại các công trường, bao gồm thân cây và phần thừa từ việc cắt tỉa cây Những vật liệu này có thể được thu gom dễ dàng sau các dự án và 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 từ trung tâm thương mại, cơ quan, trường học và hộ gia đình chứa một lượng đáng kể các vật chất hữu cơ có nguồn gốc từ thực vật, tạo thành nguồn năng lượng tái tạo quan trọng Các loại giấy thải, bìa cứng, thùng carton và chất thải gỗ là những ví dụ tiêu biểu cho 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 hóa nhanh chóng của nhiên liệu, tạo ra nhiệt và ánh sáng Để quá trình đốt cháy diễn ra hoàn toàn, cần cung cấp một lượng oxy thích hợp.
Oxy (O2) là nguyên tố phổ biến nhất trên trái đất, chiếm 20.9% không khí Khi oxy kết hợp với nhiên liệu, quá trình oxy hóa xảy ra nhanh chóng, tạo ra nhiệt lượng lớn Để chuyển đổi nhiên liệu từ dạng rắn hoặc lỏng sang khí, cần phải sử dụng nhiệt Khí nhiên liệu sẽ cháy bình thường khi có đủ oxy trong không khí.
Trong không khí, 79% là nitơ, đóng vai trò quan trọng trong việc pha loãng và giảm nhiệt độ cần thiết để đạt được lượng oxy cần thiết 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 độ truyền qua bề mặt trao đổi nhiệt Hơn nữa, nitơ còn làm tăng khối lượng các sản phẩm phụ của quá trình cháy, giúp chúng thoát ra ngoài ống khói nhanh hơn, tạo điều kiện cho việc bổ sung hỗn hợp nhiên liệu-không khí mới.
Nitơ có khả năng kết hợp với oxy (O2) ở nhiệt độ cao để tạo ra NOx, một chất gây ô nhiễm độc hại Các thành phần như cacbon, hydro và lưu huỳnh trong nhiên liệu khi kết hợp với oxy trong không khí sẽ tạo ra CO2, hơi nước và SO2, giải phóng năng lượng lần lượt là 8.084 kcal, 28.922 kcal và 2.224 kcal Trong những điều kiện đặc biệt, cacbon cũng có thể phản ứng với oxy để tạo ra CO, giải phóng một lượng nhiệt nhỏ là 2.430 kcal/kg cacbon Việc cháy cacbon trong CO2 sẽ tạo ra nhiều nhiệt hơn so với khi tạo 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 đa hóa việc giải phóng nhiệt từ nhiên liệu Để đạt được điều này, cần kiểm soát "3 T": (1) Nhiệt độ phải đủ cao để khởi động và duy trì sự cháy, (2) Khuấy trộn giữa nhiên liệu và oxy phải hiệu quả, và (3) Thời gian cần thiết để hoàn tất quá trình đốt cháy phải đủ.
Nhiên liệu phổ biến như khí tự nhiên và prôban chứa chủ yếu cacbon và hydro Khi hydro bị đốt cháy, sản phẩm phụ là hơi nước, gây mất nhiệt trong khí lò, làm giảm hiệu quả trao đổi nhiệt.
Khí tự nhiên chứa nhiều hydro và ít carbon hơn so với dầu nhiên liệu, dẫn đến việc tạo ra nhiều hơi nước hơn trong quá trình đốt cháy Hệ quả là, lượng nhiệt mất đi khi đốt khí tự nhiên sẽ lớn hơn.
Sự cân bằng giữa nhiên liệu và không khí là rất quan trọng trong quá trình đốt cháy, vì quá nhiều hoặc quá ít nhiên liệu có thể dẫn đến hiện tượng cháy không hoàn toàn hoặc tạo ra khí CO độc hại Để đạt được quá trình đốt cháy tối ưu, cần phải cung cấp một lượng oxy nhất định và khí dư, nhưng nếu khí dư quá nhiều sẽ gây tổn thất nhiệt và làm giảm hiệu suất.
Không phải tất cả các loại nhiên liệu đều được 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 đáp ứng tiêu chuẩn ô nhiễm khí cho phép, với lượng lưu huỳnh rất thấp hoặc không có Thách thức lớn nhất đối với hiệu suất cháy là các bon không cháy hết, dẫn đến sự hình thành CO thay vì CO2.
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 rất hiếm xảy ra trong thực tế, do đó, người ta thường sử dụng lượng không khí nhiều hơn khoảng 10% so với lượng 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 trong không gian mà còn theo thời gian, dẫn đến những phản ứng phức tạp.
- 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 chính giúp biến đổi thức ăn, và trong quá trình nấu nướng, nhiệt được truyền đi qua ba phương pháp chủ yếu: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt năng từ vật này sang vật khác, từ phần này sang phần khác của vật
Trong nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt, Fourrier 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 đáy Nhiệt độ tiếp tục lan rộng, giúp thực phẩm chín hoặc nước sôi Độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào 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 chọn vật liệu cho nồi và bếp, cần căn cứ vào hệ số dẫn nhiệt của chúng.
Hệ số dẫn nhiệt của các chất phụ thuộc vào nhiệt độ, với xu hướng tăng khi nhiệt độ tăng Đối với vật thể rắn đồng chất, mối quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt λ và nhiệt độ thường gần như theo đường thẳng Hệ số dẫn nhiệt ở 0 o C được ký hiệu là λ, trong khi λo là hệ số dẫn nhiệt ở nhiệt độ t o C Hệ số nhiệt độ b, được xác định bằng thực nghiệm, phụ thuộc vào tính chất của vật liệu, trong đó t là nhiệt độ làm việc (o C).
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 giữa 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 và khối lượng riêng lớn hơn sẽ chìm xuống Đối lưu chỉ diễn ra trong môi trường chất lỏng hoặc khí, vì quá trình truyền nhiệt luôn liên quan đến chuyển động của các môi trường này.
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 lớn hơn rất nhiều, giúp tăng hiệu quả truyền nhiệt trong các hệ thống.
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 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 có khả năng hấp thụ tia bức xạ đó, điều này khác với quá trình dẫn nhiệt.
Vật thể có màu đen hấp thu nhiều tia bức xạ hơn, trong khi vật thể màu trắng phản xạ nhiều tia bức xạ hơn Vật nào 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 truyền tới đáy nồi, nơi hấp thu 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 đủ cho 4-10 người ăn hàng ngày, với khả năng đun nước và thức ăn bằng 1-2 bếp con cùng 1-2 nồi có dung tích từ 3-8 lít Về kết cấu, bếp cần đảm bảo tính bền vững 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 tối ưu hóa hiệu suất của bếp, cần giảm thiểu tổn thất nhiệt qua thành lò, đáy lò và khói thoát ra Vật liệu làm bếp cần có khả năng chịu nhiệt, cách nhiệt tốt, dễ chế tạo và đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm Bếp nên sử dụng đa dạng nhiên liệu như củi, than tổ ong, khí ga hoặc các phế phẩm nông nghiệp như trấu, mạt cưa, rơm rạ, bã mía, thân ngô và cành lá nhỏ, chỉ cần điều chỉnh cấu trúc cửa nạp liệu và cấp khí Cuối cùng, bếp cần thiết kế dễ sử dụng, bảo trì và 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 chế tạo từ khung thép V40x40x4, với thiết kế hàn chắc chắn bao quanh bếp Phần trên được đổ bằng tấm đan bê tông cốt thép dày 40mm, đảm bảo độ bền và ổn định Dưới đáy, giá đỡ được trang bị 3 bánh xe có đường kính lớn, giúp di chuyển dễ dàng và linh hoạt.
150mm Giá đỡ bếp dùng để đỡ và di chuyển bếp
Thân bếp được cấu tạo từ gạch, xi măng, cát và đất sét, với xung quanh được xây bằng gạch chỉ Bên trong, thân bếp sử dụng gạch vỡ và đất sét, trong khi bên ngoài được ốp gạch men 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 xung 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, cung cấp nước nóng sạch và đảm bảo vệ sinh Để đảm bảo an toàn và thuận tiện khi sử dụng, bộ thu nhiệt 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 không gỉ với đường kính 16/21mm, giúp tận dụng nhiệt từ nước nóng phục vụ nhu cầu của người sử dụng như sấy khô chén đũa, đun sôi nước 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 có công suất đun nấu đủ 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 Về kết cấu, bếp phải đảm bảo tính bền vững và an toàn trong quá trình sử dụng.
- 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, cần sử dụng vật liệu chịu nhiệt và cách nhiệt tốt, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm và dễ chế tạo Bếp nên có khả năng sử dụng đa nhiên liệu như củi, than tổ ong, khí ga hoặc các phế phụ phẩm nông nghiệp, chỉ cần điều chỉnh nhẹ cấu trúc cửa nạp liệu và cấp khí Ngoài ra, bếp cần dễ sử dụng, dễ chăm sóc 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, bao quanh bếp để đảm bảo độ chắc chắn Phần trên được đổ bằng tấm đan bê tông cốt thép dày 40mm, mang lại sự bền bỉ Dưới đáy, giá đỡ được trang bị 3 bánh xe đường kính lớn, thuận tiện cho việc di chuyển.
150mm Giá đỡ bếp dung để đỡ và di chuyển bếp
Thân bếp được cấu tạo từ gạch, xi măng, cát và đất sét, với phần xung quanh được xây bằng gạch chỉ Bên trong, bếp sử dụng gạch vỡ và đất sét, trong khi bên ngoài được ốp gạch men 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 và sự tiện lợi trong quá trình sử dụng.
- 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 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 đảm bảo an toàn và thuận tiện cho người sử dụng, đầu ra của nước nóng 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 hiệu quả cho việc trao đổi nhiệt nước nóng, đáp ứng nhu cầu sử dụng như sấy khô chén đũa và các vật dụng khác.
Ống khói, được chế tạo từ ống sứ hoặc ống thép, có vai trò quan trọng trong việc hút khói từ bếp lò và thải ra ngoài Thiết kế này giúp tạo ra hiện tượng đối lưu, cho phép không khí từ bên ngoài lưu thông vào buồng đốt chính, đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Giá đỡ than tổ ong và đầu bếp gas được sản xuất từ vỏ tôn chắc chắn, bên trong chứa đất sét Thiết kế của giá đỡ cho phép sử dụng 3 viên than tổ ong, với kích thước ỉ 500 ỉ 400 ỉ 140, mang lại hiệu quả tối ưu trong quá trình 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