Bài viết Nghiên cứu tận dụng nhiệt thải từ lò tráng bánh để sấy bánh tráng đề xuất các cơ sở tính toán thiết kế một thiết bị sấy tận dụng nhiệt thải từ lò tráng bánh để gia nhiệt cho không khi cấp cho quá trình sấy.
58 Mã Phước Hoàng NGHIÊN CỨU TẬN DỤNG NHIỆT THẢI TỪ LÒ TRÁNG BÁNH ĐỂ SẤY BÁNH TRÁNG RESEARCH ON RECYCLING WASTE HEAT FROM RICE PAPER STOVE FOR RICE PAPER DRYING Mã Phước Hoàng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; nhietlanhdng@gmail.com Tóm tắt - Bài báo đề xuất sở tính tốn thiết kế thiết bị sấy tận dụng nhiệt thải từ lò tráng bánh để gia nhiệt cho không cấp cho trình sấy Thiết bị sấy có calorifer sử dụng ống nhiệt trọng trường Ống nhiệt sáng chế từ lâu nhiên việc nghiên cứu ứng dụng phát triển mạnh gần Việc dùng khơng khí nóng để sấy vừa đảm bảo chất lượng bánh tráng vừa đảm bảo sức khỏe người làm việc tránh tiếp xúc với khói độc Tận dụng nhiệt thải hạn chế việc đốt nhiên liệu than củi tiết kiệm lượng đồng thời giảm thải ô nhiễm môi trường Thiết bị chế tạo với công suất kg/h đánh giá thực nghiệm Thiết bị triển khai ứng dụng rộng rãi sản xuất Abstract - This paper proposes the design and calculation of a drier that takes advantage of waste heat from rice paper stove to heat the entering air for drying The drying device uses a gravity heat pipe The heat pipe was invented a long time ago but its research and applications only thrive in recent time Using hot air for drying not only ensures the quality of rice paper, but also protects workers from contact with toxic fumes Recycling waste heat reduces the amount of coal and firewood burnt, resulting in energy conservation and lower pollution emissions The device was manufactured with a capacity of kg/h and experimentally evaluated It is feasible for this device to be widely applied in production Từ khóa - nhiệt thải; ống nhiệt; sấy; tiết kiệm lượng; môi trường Key words - waste heat; heat pipes; drying; energy conservation; environment Đặt vấn đề Hiện lị tráng bánh thủ cơng miền Trung hoạt động vào mùa mưa, bánh tráng sấy từ khói than, củi đốt nên bánh tráng có chất lượng khơng đảm bảo, vệ sinh gây ảnh hưởng đến sức khỏe người làm việc người tiêu dùng Trong nhiệt thải từ ống khói lị tráng bánh lớn (nhiệt độ 300 0C), lãng phí Đã có số biện pháp thu hồi nhiệt thải như: kéo dài đường khói sấy bánh qua bề mặt ngồi ống khói, sấy khói lị tráng bánh,… Tuy nhiên, hiệu suất thu hồi kém, thời gian sấy lâu, chất lượng bánh tráng không đạt yêu cầu Để khắc phục hạn chế này, mạnh dạn đề xuất phương án sử dụng ống nhiệt trọng trường để tận dụng nhiệt thải từ ống khói gia nhiệt cho khơng khí cấp cho q trình sấy Với ống nhiệt trọng trường, lực đưa chất lỏng ngưng quay lại phần sôi lực trọng trường phần sôi thấp phần ngưng Để cho ống nhiệt trọng trường hoạt động bình thường góc nghiêng (góc tạo trục ống nhiệt hình chiếu lên mặt phẳng nằm ngang) khơng đuợc nhỏ 100 Công suất truyền tải ống nhiệt không vượt công suất nhiệt tới hạn (là công suất truyền tải nhiệt lớn mà ống nhiệt chưa bị hỏng) Thường công suất nhiệt tới hạn lơi Qc cơng suất nhiệt tới hạn có giá trị nhỏ nhất, ta tính tốn cần quan tâm đến giá trị Theo [3], Qc xác định: Cơ sở lý thuyết ống nhiệt trọng trường 0,13 0,25 Qc 0, 64 Ah r g h h h Công suất nhiệt [3]: Qi 5, 24 A (tis tin )0,75 Cơng suất nhiệt tồn [3]: t t z tw Q R Rz Rvs Rs Rh Rn Rvn Rw chế độ nhiệt ổn định Qi = Q, đó: A – hệ số kích thước ống nhiệt, Hình Ngun lí ống nhiệt trọng trường Ống nhiệt [3] phần tử trao đổi nhiệt có khơng gian khép kín, bên chứa mơi chất xảy hai q trình chuyển pha sơi hóa ngưng tụ Mơi chất nạp ống nhận nhiệt từ nguồn nóng phần sơi ống, sơi hóa di chuyển lên phần ngưng nhả nhiệt cho nguồn lạnh ngưng tụ thành lỏng, sau lại quay trở phần sơi nhờ lực khác nhau: lực trọng trường, lực mao dẫn, lực ly tâm, lực điện trường, lực từ trường,… Áp suất nhiệt độ làm việc bên ống nhiệt áp suất nhiệt độ chất lỏng nạp bên ống nhiệt (1) (2) (3) – hệ số tính chất vật lý mơi chất nạp, R – tổng nhiệt trở, K/W, Rz, Rvs, Rs, Rh, Rn, Rvn, Rw nhiệt trở thành phần, K/W, tz – nhiệt độ trung bình nguồn nóng phần sơi ống, 0C, tw – nhiệt độ trung bình nguồn lạnh phần ngưng ống, 0C Tính toán thiết kế thiết bị sấy tận dụng nhiệt thải từ lò tráng bánh để sấy bánh với calorifer sử dụng ống nhiệt trọng trường 3.1 Nguyên lí thiết bị sấy tận dụng nhiệt thải Nguyên lí hoạt động thiết bị sấy tận dụng nhiệt thải từ lò tráng bánh để sấy bánh tráng (Hình 2) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 Trong đó: – Nhiên liệu đốt cấp vào lò tráng bánh (trấu, mùn cưa, ); – Đường khói vào calorifer; – Calorifer ống nhiệt trọng trường; – Đường khói thốt; – Khơng khí tươi; – Khơng khí nóng; – Buồng sấy bánh tráng Hình Sơ đồ ngun lí thiết bị sấy 3.2 Cơng suất nhiệt dự kiến tận dụng từ ống khói lị tráng bánh Cơng suất nhiệt khói tận dụng thu dự kiến là: Qkh = Gkh.Cpkh.(tkh’ – tkh”) (4) = 0,17.1,122.(300 - 230) = 13,1 kW 3.3 Tính tốn thiết bị sấy - Công suất thiết bị sấy: G2 = kg/h - Thời gian sấy: 30 phút - Độ ẩm đầu sau vật liệu sấy: 80 % 12 % - Nhiệt độ vào thiết bị sấy: t’kk1 = 70 0C, t’kk2 = 36 0C - Lượng khơng khí khơ cần thiết cho q trình sấy: L = 850 kg KKK/h - Lượng nhiệt cần thiết cho trình sấy: Q = 9,8 kW - Kích thước buống sấy: (LxRxH) = (830x830x900) mm 59 Giải hệ phương trình sử dụng phương pháp lặp theo sơ đồ thuật tốn (Hình 3) Kết sau: - Nhiệt độ khói thải vào calorifer: tkh’ = 3000C; - Nhiệt độ khói thải calorifer: tkh” = 2300C; - Nhiệt độ khơng khí calorifer: tkk1’ = 700C; - Lưu lượng khói thải là: Gkh = 0,17 kg/s; - Lưu lượng khơng khí: Gkk = 0,24 kg/s; - Ống nhiệt: + Đường kính ngồi: di/de = 23/27 mm; + Đường kính cánh: dz = 40 mm; + Chiều dài ống nhiệt: L = 800 mm; + Chiều dài phần sôi: Ls = 400 mm; + Chiều dài phần ngưng Ln = 400 mm; + Vật liệu làm ống: thép CT3; + Môi chất nạp: nước; + Công suất nhiệt ống: Qi = 483 W Vậy số lượng ống nhiệt là: n = 9,8 /483 = 20 ống - Công suất quạt: Nq = 300 W Chế tạo thiết bị thực nghiệm, đánh giá kết 4.1 Chế tạo thiết bị sấy Thiết bị sấy chế tạo Xưởng Nhiệt, khoa Công nghệ Nhiệt – Điện lạnh, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng với công suất kg/h C? a thao tác Hình Cấu tạo ống nhiệt Hình Cấu tạo buồng sấy 3.4 Tính tốn calorifer ống nhiệt Để tính tốn calorifer ống nhiệt trọng trường phải tính cơng suất ống nhiệt, xác định công suất cần giải hệ phương trình: ti tis tin Qi R R R R i s n h 0,75 Qi 5, 24 A (tis tin ) ti 0,75 Ri 5, 24 A Hình Thiết bị sấy thực nghiệm (5) 4.2 Trình tự đo đạc thí nghiệm - Khởi động lò đốt vật liệu trấu - Đo đạc thơng số nhiệt độ khói vào 60 Mã Phước Hoàng calorifer kiểu ống nhiệt đo lưu lượng khói Điều chỉnh cho thông số với thông số lị tráng bánh thực tế để thực q trình thí nghiệm - Sau đạt thơng số u cầu, đưa vật liệu sấy vào tiến hành thí nghiệm Vật liệu sấy bánh tráng ướt đặt khay lưới thép Sử dụng đồng hồ đo thời gian sấy Đo nhiệt độ tác nhân sấy Đo độ ẩm vật liệu sấy Trong trình sấy, thực thao tác đảo khay xuống để đảm bảo độ khô đồng bánh tráng khay (khoảng 10 phút/lần) thời gian khoảng phút ghi lại thông số độ ẩm vật liệu sấy 300 250 Khối lượng vật liệu, g - Đo nhiệt độ khơng khí nóng cấp vào q trình sấy, điều chỉnh lưu lượng khơng khí vào buồng sấy qua cửa điều chỉnh đặt đầu đẩy quạt Quan hệ thời gian khối lượng vật liệu sấy 200 G1, g 150 G2, g G3, g 100 50 10 15 20 25 30 35 Thời gian, phút Hình Đường cong sấy cho lần khác 4.3 Kết nghiên cứu đánh giá Bảng Thơng số nhiệt độ q trình thí nghiệm sấy bánh tráng Nhiệt độ khói, 0C Nhiệt độ khơng khí, 0C tkh’ tkh” tkh 300 240 303 242 307 310 316 tkk2’ 32 tkk 60 tkk1’ 65 61 66 33 33 245 62 69 32 37 247 63 71 34 37 249 67 69 33 36 34 Bảng Quan hệ khối lượng vật liệu sấy theo thời gian sấy (lần 1) , phút G, g G, g 257 , phút 25 10 239 30 73 15 194 35 35 20 157 114 Bảng Quan hệ khối lượng vật liệu sấy theo thời gian sấy (lần 2) , phút G, g , phút G, g 260 25 119 10 242 30 74 15 197 35 36 20 161 Bảng Quan hệ khối lượng vật liệu sấy theo thời gian sấy (lần 3) , phút G, g , phút 25 G, g 255 10 236 30 71 15 192 35 32 20 152 115 Từ kết thí nghiệm thấy rằng: - Bánh tráng sau sấy xong (độ ẩm 2 trung bình lần sấy khoảng 13% sau thời gian 35 phút) có sai lệch với lý thuyết, điều lý giải sau: q trình trao đổi nhiệt - ẩm bị giảm nhiệt tổn thất môi trường, thông số thực tế khơng khí có sai lệch so với chọn tính tốn,… Bánh tráng sau sấy có màu sắc giống bánh tráng phơi nắng, sau nhúng nước để khô lại, tiếp tục nhúng nước, bánh tráng dẻo, yếu tố đảm bảo cho loại bánh tráng ngon, chất lượng Hình Hình ảnh vật liệu sau sấy - Nhiệt độ khơng khí khỏi calorifer kiểu ống nhiệt trọng trường thay đổi khơng đáng kể, nhiệt độ ổn định dù nhiệt độ khói thay đổi Với vật liệu sấy bánh tráng, nhiệt độ sấy thay đổi ảnh hưởng đến trình sấy: Nhiệt độ sấy cao làm bánh tráng cong vênh, chất lượng; cịn nhiệt độ sấy giảm xuống tăng thời gian sấy Do vậy, việc lựa chọn calorifer thích hợp vấn đề đáng lưu ý - Thời gian sấy tăng lên thất thoát nhiệt đảo khay sấy, theo thực nghiệm thấy rằng, thời gian sấy khoảng 15 phút đảo lần đảm bảo độ khô đồng vật liệu sấy mẻ Tính sơ hiệu kinh tế - Cơ sở tính hiệu kinh tế + Các lị tráng bánh thực tế quy mơ hộ gia đình có cơng suất kg/h, thường sử dụng nhiên liệu than, củi để sấy bánh vào ngày mưa, tính kinh tế thiết bị dựa số ngày mưa (10 tiếng/ngày, 22 ngày làm việc/tháng, tháng mưa/năm) + Khi thực sấy cách đốt than, củi phải th thêm nhân cơng làm việc + Giá điện trung bình: 1.500 đ/kWh để tính chi phí vận hành thiết bị sấy sử dụng nhiệt thải (cho quạt) Thiết bị sấy có tận dụng nhiệt thải cơng suất kg/h có giá 35.000.000 đồng Nếu sử dụng thiết bị sấy tiết kiệm cho năm là: * Củi, trấu: 4.960.000 – 369.000 = 14.591.000 đồng * Than: 20.240.000 – 369.000 = 19.871.000 đồng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 1(86).2015 Bảng Tính hiệu kinh tế thiết bị sấy tận dụng nhiệt thải Giá nhiên liệu (đ) 20.000 Giá nhân cơng (đ) 150.000 Chi phí năm (đ) 14.960.000 Than 100.000 150.000 20.240.000 Khi có tận dụng nhiệt thải (điện quạt 0,3 kW) Không Không 369.000 Phương án Củi, trấu 61 lại hiệu kinh tế cao, đóng góp vào mục tiêu chương trình tiết kiệm lượng quốc gia - Lò sấy bánh tráng nhiệt thải đem lại hiệu giảm thiểu ô nhiễm mơi trường cao - Góp phần vào triển vọng ứng dụng ống nhiệt thiết bị sấy nông sản khác bún sấy, hoa, quả,… TÀI LIỆU THAM KHẢO Như vậy, sau khoảng năm (với củi, trấu) sau khoảng năm (với than), hộ tráng bánh thu hồi lại vốn đầu tư thiết bị năm thu lãi với số tiền số tiền tiết kiệm Kết luận - Bài báo đề xuất phương án tiết kiệm lượng, giảm chi phí nhiên liệu đốt cho sở sản xuất bánh tráng, giảm thời gian sản xuất nhân công lao động, đem [1] Andrews and A Akabarzadeh, Heat pipes Technology, Pergramon, 1997 [2] Hoàng Ngọc Đồng, Trần Văn Vang, “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thiết bị sấy nơng sản có thiết bị gia nhiệt kiểu ống nhiệt”, Báo cáo HNKH lần thứ 20 Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2006 [3] Bùi Hải, Trần Văn Vang, Ống nhiệt ứng dụng ống nhiệt, NXB Bách khoa – Hà Nội, 2008 [4] M.N Ivanovski and V.P Sorokin, The physical principles of Heat pipes, Claredon Press, 1982 [5] Trần Văn Phú, Kĩ thuật sấy, NXB Giáo dục, 2009 (BBT nhận bài: 25/11/2014, phản biện xong: 03/12/2014) ... độ ổn định dù nhiệt độ khói thay đổi Với vật liệu sấy bánh tráng, nhiệt độ sấy thay đổi ảnh hưởng đến trình sấy: Nhiệt độ sấy cao làm bánh tráng cong vênh, chất lượng; nhiệt độ sấy giảm xuống... Buồng sấy bánh tráng Hình Sơ đồ ngun lí thiết bị sấy 3.2 Công suất nhiệt dự kiến tận dụng từ ống khói lị tráng bánh Cơng suất nhiệt khói tận dụng thu dự kiến là: Qkh = Gkh.Cpkh.(tkh’ – tkh”)... thực sấy cách đốt than, củi phải thuê thêm nhân công làm việc + Giá điện trung bình: 1.500 đ/kWh để tính chi phí vận hành thiết bị sấy sử dụng nhiệt thải (cho quạt) Thiết bị sấy có tận dụng nhiệt