Yêu cầu đặt ra là phải xác định đợc chế độ vận hành tối u sao cho năng suất sấy của máy đạt lớn nhất, tức lợng ẩm tách đợc trong một đơn vị thời gian là lớn nhất khi mức tiêu hao năn
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VĂN HẬU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ SẤY TỐI ƯU TRÊN MÁY BƠM NHIỆT BK-BSH 1.4 CHO NÔNG SẢN THỰC PHẨM LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH Hà Nội, 2007 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17061131507401000000 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI PHẠM VĂN HẬU PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ SẤY TỐI ƯU TRÊN MÁY BƠM NHIỆT BK-BSH 1.4 CHO NÔNG SẢN THỰC PHẨM LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH NGƯỜI HƯỚNG DẪN : TS.PHẠM VĂN TÙY H Ni, 2004 Lời mở đầu Sấy trình công nghệ đợc sử dụng nhiều ngành công nông nghiệp Trong công nghiệp chế biến nông lâm, hải sản kỹ thuật sấy đóng vai trò đặc biƯt quan träng ViƯt Nam lµ níc cã khÝ hËu nhiệt đới với gần 80% dân số làm nghề nông nên loại nông sản thực phẩm đa dạng, phong phú có sản lợng lớn Vì vậy, nghiên cứu phát triển công nghệ sấy loại nông sản thực phẩm coi nhiệm vụ chiến lợc sù nghiƯp ph¸t triĨn kinh tÕ Trước đây, nơng sản thực phẩm phơi ánh nắng mặt trời nên sản phẩm thu đợc thờng có chất lợng thấp, thời gian phơi sấy lâu bị phụ thuộc vào thời tiết Công nghệ sấy phát triển cho phộp to sản phẩm có giá trị chất lượng cao Một công nghệ sấy đợc nhiều nớc giới nói chung Việt Nam nói riêng quan tâm nghiên cứu sấy bơm nhiệt nÐn h¬i Bơm nhiệt thiết bị dùng để đưa dịng nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấp lªn nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhit Sấy bơm nhiệt có nhiều u điểm nh: trình sy c thc hin nhit thp, hiệu suất sử dụng lượng cao nhiệt nhiệt ẩn chất bay thu hồi, q trình sấy hồn tồn độc lập với iu kin bờn ngoi nên sản phẩm sấy thu đợc có chất lợng cao, hình thức đẹp giá thành vừa phải Một hớng đợc nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu tối u hoá chế độ vận hành bơm nhiệt để tăng tính kinh tế khả ứng dụng cho nhiều loại vật liệu sấy khác Mục tiêu giảm tiêu hao lợng thời gian sấy nhng đảm bảo chất lợng sản phẩm Cho tới nay, công trình nghiên cứu cho hệ thống máy cụ thể tối u cho thông số riêng rẽ chế độ sấy mà cha nghiên cứu tối u cho chế độ sấy Phạm Văn Hậu Cao học Nhiệt-Lạnh 2004 - 2006 Trên së kÕt nghiªn cøu lý thuyết thực nghiệm nhà khoa học thuộc Viện Khoa học Công nghệ Nhiệt-Lạnh đà tiến hành thiết kế, chế tạo thử nghiệm máy hút ẩm sấy lạnh đa BK BSH 1.4 Yêu cầu đặt phải xác định đợc chế độ vận hành tối u cho suất sấy ca máy đạt lớn nhất, tức lợng ẩm tách đợc đơn vị thời gian lớn mức tiêu hao lợng không thay đổi đảm bảo chất lợng sản phẩm sấy Vì vậy, luận văn tập trung nghiên cứu phng phỏp xác định chế độ sấy tối ưu cho m¸y Qu¸ trình nghiên cứu đợc tiến hành theo bớc: phân tích nhân tố ảnh hởng để tìm thông số có ảnh hởng lớn đến suất sấy tìm miền tối u thông số này; xác định phơng pháp tiến hành thí nghiệm để xây dựng phơng trình hồi quy tìm mối liên hệ thông số với suất sấy; sau có phơng trình hồi quy, phân tích lựa chọn phơng pháp tối u phù hợp để tiến hành xác định thông số tối u cho chế độ vận hành máy; kiểm chứng phơng pháp xây dựng chế độ sấy tối u cho loại vật liệu cụ thể hành Mục đích nghiên cứu phơng pháp chung để xác định chế độ sấy tiến tới xây dựng th viện chế độ sấy tối u cho máy BK-BSH 1.4 loại nông sản thực phẩm Tối u hoá lĩnh vực phức tạp, vậy, đạt đợc phạm vi luận văn kết bớc đầu, hạn chế trình độ thời gian nên chắn tránh khỏi thiếu sót Rất mong nhận đợc bảo, góp ý thầy cô giáo bạn đồng nghiệp Phạm Văn Hậu Cao học Nhiệt-Lạnh 2004 - 2006 Chơng lý thuyết sấy Nông sản thực phẩm 1.1 Khái niệm sấy Sy trình tách ẩm (hơi nước nước) khỏi VLS, VLS nhận lượng để ẩm từ lòng VLS dịch chuyển bề mặt i vo mụi trng tác nhân sấy (TNS) Quỏ trỡnh sấy trình truyền nhiệt, truyền chất xẩy đồng thời Trong lịng VLS q trình dẫn nhiệt khuếch tán ẩm hỗn hợp Trao đổi nhiệt - ẩm bề mặt VLS với TNS trình trao đổi nhiệt trao đổi ẩm đối lưu liên hợp Quá trình bên VLS chủ yếu chịu ảnh hưởng dạng liên kết ẩm với cốt khô vật liệu, trình bề mặt VLS chủ yếu chịu ảnh hưởng cấu trao đổi nhiệt ẩm thông số TNS VLS Sấy cịng q trình cơng nghệ, tính chất cơng nghệ ln ln thay đổi Tính chất cơng nghệ vật liệu gồm: tính chất hố lý, tính chất kết cấu, tính chất sinh hố… Q trình sấy nhằm tăng cường số đặc tính cơng nghệ để phục vụ nhiều mục đích khác Khi sấy sản phẩm gốm nhằm mục đích làm độ bền tăng lên để tiếp tục gia cơng; sấy hạt giống phải làm tỷ lệ khả nảy mầm cao lên; sấy nơng sản thực phẩm giữ hương vị, màu sắc, nguyên tố vi lượng mà tăng thời gian bảo quản, giảm giá thành vận chuyển, giảm thể tích kho bảo quản… 1.2 Các dòng dịch chuyển ẩm dịch chuyển ẩm vật liệu Để nghiên cứu công nghệ sấy, trớc hết cần nghiên cứu dạng liên kết ẩm, dòng dịch chuyển ẩm dịch chuyển ẩm VLS nhằm hiểu rõ chế dịch chuyển ẩm định hớng phơng pháp tác động để tăng Phạm Văn Hậu Cao học Nhiệt-Lạnh 2004 - 2006 cờng hạn chế dòng dịch chuyển ẩm phục vụ yêu cầu công nghệ Theo dạng liên kết ẩm với cốt khô vật, VLS đợc chia thµnh nhãm: vËt keo, vËt xèp mao dÉn vµ vật keo xốp mao dẫn 1.2.1 Các dòng dịch chuyển dịch chuyển vật keo Liên kết ẩm vËt keo lµ lùc hÊp phơ vµ lùc khch tán thẩm thấu Do đó, mật độ dòng ẩm lỏng j2k tû lƯ thn víi gradient ¸p st thÈm thÊu R R p tt Với hàm ẩm thông thờng vật trơng nở giới hạn, áp suất thẩm thấu (trơng nở) hàm hàm ẩm M Do ta cã: j2 k = − D p ∇p tt = − D p (∂p tt / ∂M )∇M = −a k ρ ∇M (1.1) VËt keo vật có mao mạch phân tử trình không đẳng nhiệt dịch chuyển ẩm lỏng dạng màng có dạng: gradient (1.2) j m = k m ρ o∇M + k t2 mρ 0∇ t Dòng ẩm lỏng dịch chuyển bằng: j2 = j k + j2m = −(a2 k + k m )ρ o∇M + k t2 mρ0 ∇t (1.3) DÞch chuyển ẩm dạng đợc xác định gần trình khuếch tán ( ) phân tử Mật độ dòng phân tử j1 tỷ lệ nghịch với gradientt p / T Víi R R p1 lµ phân áp suất ẩm Trong trình đoạn nhiƯt p1 lµ hµm cđa hµm R R R R ẩm nhiệt độ nên dòng j1 bằng: R R j1 = a 1ct ρ0∇M − a 1tct ρ 0t (1.4) Dòng dịch chuyển ẩm tổng (lỏng hơi) xác định theo M t vật keo b»ng: t j = j1 + j2 = a mk ρ0 ∇ M − a mk ρ ∇t Trong ®ã: (1.5) a mk = a 1ct + a k + k 2m (1.6) a tmk = at1ct + k 2t m (1.7) Phạm Văn Hậu Cao học Nhiệt-Lạnh 2004 - 2006 1.2.2 Các dòng dịch chuyển dịch chuyển ẩm vật xốp mao dẫn Dịch chuyển lỏng mao dẫn (khuếch tán mao dẫn) vật xốp mao dẫn, có mao mạch lớn (r > 10-5 ), gắn liền với liên kết lý Trong vật xốp P P cấu trúc đa mao mạch, dßng Èm láng tû lƯ thn víi gradient thÕ mao dÉn ψ : (1.8) j2md = kψ ∇ψ ThÕ mao dẫn trờng hợp đẳng nhiệt tỷ lệ với hàm ẩm M Trong điều kiện không đẳng nhiệt, dòng ẩm lỏng khuếch tán mao dẫn j2md đợc xác định: R R j2 md = k ψ∇ ψ = − a md ρ ∇M − a 2t md ρ ∇t (1.9) a2md vµ a t2md lµ hƯ số khuếch tán lỏng mao dẫn hệ số khuếch tán nhiệt R R lỏng mao dẫn Giá trị chúng phụ thuộc vào sức căng bề mặt, góc dính ớt, độ nhớt lỏng, bán kính mao dẫn Khi ẩm vật vợt giá trị hút ẩm cực đại mao mạch lớn vật xốp chứa đầy nớc, dịch chuyển lỏng lúc chênh lệch mao dẫn Khác với trờng hợp thÊm láng mao dÉn xÈy tiÕp xóc trùc tiếp vật với chất lỏng (do áp suất thuỷ tĩnh), mao dẫn không đồng nhất, lợng lỏng đợc hút vào có giới hạn lỏng điền đầy toàn vật bị hạn chế phần cốt khô vật Thế mao dẫn với phân tố mao mạch bằng: = 1 − ρ r1 r2 (1.10) Nh vậy, điều kiện để có dịch chuyển lỏng mao dẫn, gắn với bay ngng tụ lỏng, khác biệt bán kính mao m¹ch, r1 R R r2 R R Víi sù tồn trình bay hơi, dịch chuyển ẩm mao mạch lớn (r > 10-5 ), đợc xác định theo quy luật khuếch tán phân tử Còn với P P mao mạch nhỏ trình đợc xác định theo quy luật chảy tràn Ngoài ra, với trình bay lỏng vật xốp, tồn dịch chuyển ẩm đối lu vĩ mô đợc gọi khuếch tán trợt (hay khuếch tán thuỷ động) Khi Phạm Văn Hậu Cao học Nhiệt-Lạnh 2004 - 2006 dòng tổng ứng với ¸p st tỉng p = const sÏ gåm dßng khch tán phân tử j 1pt, dòng khuếch tán đối lu j 1dl = 1.v k dòng chảy tràn j 1ct áp suất bay R R R R R R p1 hàm hm lợng ẩm nhiệt độ, p1 = f(M,t) Vậy nên, dòng dịch R R R R chun Èm cã thĨ thĨ hiƯn b»ng quan hÖ: j1 = j1pt + j1dl + j1ct = −a 1mdρ 0∇M − a 1t mdρ 0∇t (1.11) Vậy dòng ẩm tổng dịch chuyển vật xốp mao dÉn lµ: j = j1 + j = −a Mmdρ 0∇M − a tMmdρ0 ∇t (1.12) Trong ®ã: a Mmd a tMmd hệ số khuếch tán ẩm hệ số khuếch tán nhiệt ẩm mao dẫn, víi: a Mmd = a1md + a md (1.13) a tMmd = a 1tmd + a 2t md (1.14) Ngoài ra, có dịch chuyển ẩm lỏng lực thấm mao dẫn (đợc nghiên cứu lý thuyết thấm) Giả thiết dòng thấm lỏng độc lËp nhau, cã thÓ viÕt: ji = ρ i vi = − k i ( ω) ∇p i i=1,2 γi (1.15) 1.2.3 Các dòng dịch chuyển ẩm vật keo xốp mao dẫn Quá trình dịch chuyển ẩm vật keo xốp mao dẫn đợc xác định tợng dịch chuyển khác đà đợc phân tích vật keo vật mao dẫn Nếu bỏ qua ảnh hởng lực trọng trờng truyền ẩm VLS lực nhiệt động khác lực nhiệt động hàm hàm ẩm M nhiệt độ t, chúng cã thĨ biĨu diƠn qua ∇M ∇t DÞch chun ẩm vật keo xốp mao dẫn đợc xác định b»ng c«ng thøc: j = −a M ρ0 ∇M − a Mt ρ ∇t = −a M ρ ( ∇M + δ∇t ) (1.16) Trong ®ã: a M a tM hệ số khuếch tán hệ số khuếch tán nhiệt ẩm, Phạm Văn Hậu Cao học Nhiệt-Lạnh 2004 - 2006 hệ số khuếch tán nhiệt tơng đối, = a M / a tM aM = aMmd + amk a tM = a tMmd + atmk δ= (1.17) δ md a Mmd + δ k a mk a Mmd + a mk Các hệ số khuếch tán ẩm aM R R hàm hàm ẩm nhiệt độ Đặc trng thay đổi hệ số a M với độ chứa ẩm khác đợc xác định theo R R dạng liên kết ẩm dạng dịch chuyển ẩm (lỏng hơi) Với vật xốp mao dẫn điển hình, hệ số a M tăng độ chứa ẩm tăng, với độ chứa ẩm lớn a M R R R không đổi Nếu trình dịch chuyển ẩm lỏng hệ số a M tăng R R R không đổi phụ thuộc vào dạng đờng cong phân bố hang xốp theo đờng kính Hệ số aM vật liệu đợc xác định thực nghiệm dới dạng bảng số R R công thức 1.2.4 Dịch chuyển ẩm thấm đối lu vật liệu sấy Trong trình sấy cờng độ cao, nhiệt độ VLS lớn 1000C P P phân áp suất nớc bÃo hoà p1 lớn áp suất không khí TNS R R Khi đó, dòng dịch chuyển ẩm khuếch tán vật xốp đợc thay dòng dịch chuyển ẩm thấm đối lu Gradient áp suất tổng (p) xuất nhiệt độ VLS lớn 100 0C, P P nhiên trình sấy đợc thực trình đốt nóng bên (ví dụ sấy cao tần) p xuất nhiệt độ bé 100 0C P P Sự tồn p gây nên dòng dịch chuyển ẩm thấm đối lu hỗn hợp khíhơi dạng thấm môi trờng xốp, nên tính dòng dịch chuyển ẩm (lỏng, hơi) tổng quát cần bổ sung dòng dịch chuyển Mật độ dòng dịch chuyển dòng thấm nµy lµ: (1.18) j1 = ρ1 v = − kρ10 ∇p = − k p ∇ p Víi ρ 10 = / nồng độ tơng đối nớc, k p hệ số dòng nồng độ R R Phạm Văn Hậu Cao học Nhiệt-Lạnh 2004 - 2006 10 ph©n tư : k p = kρ10 = kd /(1 + d) (1.19) víi d lµ dung ẩm không khí Dòng ẩm tổng tồn gradient áp suất tổng bằng: j = a M ρ0 ∇M − a tM ρ 0∇ t − k p p (1.20) Biểu thức (1.20) cha kể đến dịch chuyển lỏng dới tác dụng lực trọng trờng gradient áp suất thuỷ tĩnh (dòng thấm lỏng qua môi trờng xốp) Cờng độ dòng dịch chuyển ẩm thấm đối lu lớn nhiều lần dòng dịch chuyển ẩm dới tác động lực mao dẫn khuếch tán Quá trình thờng đợc nghiên cứu độc lập với trình dịch chuyển ẩm VLS 1.3 Công thức sấy lý thuyết Dựa sở phân tích cấu dịch chuyển ẩm dịch chuyển ẩm VLS, năm 1966 Luikov A.V đà đa mô hình toán học mô tả trình sấy vật liệu keo xèp mao dÉn nh sau: ∂M = ∇2 k11 M + ∇ k12 t + ∇2 k 13p ∂τ ∂t = ∇ k 21M + ∇ k22 t + ∇2 k 23 p ∂τ ∂p = ∇ k 31M + ∇ k 32 t + ∇ k 33 p ∂τ (1.21) Trong ®ã: k11 , k 22 , k33 hệ số tợng ảnh hởng k ij R R R R R R R R c¸c hƯ số ảnh hởng chéo hàm ẩm M, nhiệt độ t áp suất tổng p, hệ số đợc xác định theo công thức thực nghiệm Mô hình toán học (1.21) tổng quát cho trình truyền nhiƯt trun Èm cđa VLS bÊt kú, víi ®iỊu kiƯn hệ số truyền nhiệt-ẩm số (hệ phơng trình vi phân tuyến tính) Giải hệ phơng trình cho VLS cụ thể với điều kiện biên Phạm Văn Hậu Cao học Nhiệt-Lạnh 2004 - 2006