Phương pháp xá định hế độ sấy tối ưu trên máy bơm nhiệt bk bsh 1 4 cho nông sản thự phẩm

Yêu cầu đặt ra là phải xác định đợc chế độ vận hành tối u sao cho năng suất sấy của máy đạt lớn nhất, tức lợng ẩm tách đợc trong một đơn vị thời gian là lớn nhất khi mức tiêu hao năn

B Ộ GIÁO DỤ C VÀ ĐÀO T Ạ O TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ

TRƯỜ NG Đ Ạ I H C BÁCH KHOA HÀ NỘI Ọ

PHẠ M VĂN H Ậ U

PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ Ấ S Y TỐ I ƯU TRÊN MÁY BƠM

NHIỆT BK-BSH 1.4 CHO NÔNG SẢN TH C PH Ự ẨM

LUẬ N VĂN TH C SĨ Ạ NGÀNH CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

NGƯỜ I HƯ Ớ NG D N Ẫ :

TS.PHẠM VĂN TÙY

Bơm nhiệt là thiết bị dựng để đưa một dũng nhiệt từ nguồn cú nhiệt độ thấp lên nhiệt độ cao hơn, phự hợp với nhu cầu cấp nhiệt Sấy bằng bơm nhiệt

có nhiều u điểm nh: quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độ thấp, hiệu suất

sử dụng năng lượng cao do cả nhiệt hiện và nhiệt ẩn của chất bay hơi đều được thu hồi, quỏ trỡnh sấy hoàn toàn độc lập với điều kiện bờn ngoài nên sản phẩm sấy thu đợc có chất lợng cao, hình thức đẹp và giá thành vừa phải Một hớng đợc khá nhiều nhà khoa học tập trung nghiên cứu là tối u hoá chế độ vận hành của bơm nhiệt để tăng tính kinh tế và khả năng ứng dụng cho nhiều loại vật liệu sấy khác nhau Mục tiêu là giảm tiêu hao năng lợng và thời gian sấy nhng vẫn đảm bảo chất lợng sản phẩm Cho tới nay, những công trình này hoặc chỉ nghiên cứu cho một hệ thống máy cụ thể hoặc chỉ tối

u cho từng thông số riêng rẽ của chế độ sấy mà cha nghiên cứu tối u cho cả chế độ sấy

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu lý thuy và ết thực nghiệm các nhà khoa học thuộc Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh đã tiến hành thiết kế, chế -tạo thử nghiệm máy hút ẩm và sấy lạnh đa năng BK – BSH 1.4 Yêu cầu đặt

ra là phải xác định đợc chế độ vận hành tối u sao cho năng suất sấy của máy

đạt lớn nhất, tức lợng ẩm tách đợc trong một đơn vị thời gian là lớn nhất khi mức tiêu hao năng lợng không thay đổi và vẫn đảm bảo chất lợng sản phẩm sấy Vì vậy, luận văn tập trung nghiên cứu phương phỏp ỏc x định chế độ sấy tối ưu cho máy

Quá trình nghiên cứu đợc tiến hành theo các bớc: phân tích các nhân

tố ảnh hởng để tìm ra các thông số có ảnh hởng lớn nhất đến năng suất sấy

và tìm miền tối u của các thông số này; xác định phơng pháp tiến hành thí nghiệm để xây dựng phơng trình hồi quy tìm mối liên hệ giữa các thông số với năng suất sấy; sau khi có phơng trình hồi quy, phân tích lựa chọn phơng pháp tối u phù hợp để tiến hành xác định bộ thông số tối u cho chế

độ vận hành của máy; kiểm chứng phơng pháp này bằng xây dựng chế độ sấy tối u cho một loại vật liệu cụ thể là hành lá

Mục đích của nghiên cứu là chỉ ra một phơng pháp chung để xác định chế độ sấy tiến tới xây dựng một th viện chế độ sấy tối u cho máy BK-BSH 1.4 đối với các loại nông sản thực phẩm

Tối u hoá là một lĩnh vực khá phức tạp, vì vậy, những gì đạt đợc trong phạm vi luận văn này chỉ là những kết quả bớc đầu, do hạn chế về trình

độ và thời gian nên chắc chắn sẽ không thể tránh khỏi những thiếu sót Rất mong nhận đợc sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp

Chơng 1

lý thuyết sấy Nông sản thực phẩm

1.1 Khái niệm sấy

Sấy là quỏ trỡnh tỏch ẩm (hơi nước và nước) ra khỏi VLS, trong đúVLS nhận năng lượng để ẩm từ trong lũng VLS dịch chuyển ra bề mặt và đi vào mụi trường tác nhân sấy (TNS) Quỏ trỡnh sấy là quỏ trỡnh truyền nhiệt, truyền chất xẩy ra đồng thời Trong lũng VLS là quỏ trỡnh dẫn nhiệt và khuếch tỏn ẩm hỗn hợp Trao đổi nhiệt - ẩm giữa bề mặt VLS với TNS là quỏ trỡnh trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm đối lưu liờn hợp Quỏ trỡnh bờn trong VLS chủ yếu chịu ảnh ưởng ủa ạng liờ h c d n kết ẩm với c ốt khụ c v ủa ật liệu, quỏ trỡnh b ở ề mặt VLS chủ yếu chịu ảnh ưởng ủa ơ ấu h c c c trao đổi nhi ệt ẩm và

c ụỏc th ng số ủa TNS cũng như VLS c

S cấy ũng là quỏ trỡnh cụng nghệ, trong đú cỏc tớnh chất cụng nghệ ụn lu

luụn thay đổi Tớnh chất cụng nghệ của vật liệu gồm: tớnh chất hoỏ lý, tớnh chất c kơ ết ấu c , tớnh chất sinh hoỏ…

Quỏ trỡnh sấy nhằm tăng cường ột ố đặc tớnh c ng nghệ để m s ụ ph v ục ụnhiều m ục đớch khỏc nhau Khi sấy s ản phẩm gốm ỡ nhth ằm m ục đớch àm l độbền c nú tủa ăng l n để tiếp ục gia c ng; sấy ạt giờ t ụ h ống thỡ phải làm tỷ lệ và

kh nả ăng nảy mầm cao lờn; sấy nụng sản thực phẩm ỡ th giữ được ương vị, hmàu sắc, nguyờn tố vi lượng mà tăng được thời gian bảo quản, giảm được giỏ thành vận chuyển, giảm được thể ớch kho bảo t quản…

1.2 Các dòng dịch chuyển ẩm và thế dịch chuyển ẩm trong vật liệu

Để nghiên cứu về công nghệ sấy, trớc hết cần nghiên cứu về các dạng liên kết ẩm, các dòng dịch chuyển ẩm và thế dịch chuyển ẩm trong VLS nhằm hiểu rõ cơ chế dịch chuyển ẩm và định hớng phơng pháp tác động để tăng

cờng hoặc hạn chế dòng dịch chuyển ẩm phục vụ các yêu cầu công nghệ Theo dạng liên kết ẩm với cốt khô của vật, VLS đợc chia thành 3 nhóm: vật keo, vật xốp mao dẫn và vật keo xốp mao dẫn

1.2.1 Các dòng dịch chuyển và thế dịch chuyển trong vật keo

Liên kết ẩm trong vật keo là lực hấp phụ và lực khuếch tán thẩm thấu

Do đó, mật độ dòng ẩm lỏng jR 2k R tỷ lệ thuận với gradient áp suất thẩm thấu tt

D

j k = − 2∇ tt =− 2 ∂ tt ∂ ∇ =− kρ0∇ (1.1) Vật keo là vật có các mao mạch phân tử ở quá trình không đẳng nhiệt dịch chuyển ẩm lỏng dạng màng có dạng: gradient

t k M k

m 2 o

m 2 m

2 = − ρ ∇ + ρ ∇ (1.2) Dòng ẩm lỏng dịch chuyển sẽ bằng:

j j

m 2 o

m 2 k m

2 k

2 = + = − + ρ ∇ + ρ ∇ (1.3) Dịch chuyển ẩm dạng hơi đợc xác định gần đúng bởi quá trình khuếch tán phân tử Mật độ dòng phân tử jR 1 R tỷ lệ nghịch với gradientt của (p1/ T) Với

pR 1 Rlà phân áp suất của hơi ẩm Trong quá trình đoạn nhiệt pR 1 R là hàm của hàm

ẩm và nhiệt độ nên dòng jR 1 R sẽ bằng:

taMa

ct 1 0

ct

1

1= ρ∇ − ρ∇ (1.4) Dòng dịch chuyển ẩm tổng (lỏng và hơi) xác định theo M∇ và t∇ trong vật keo sẽ bằng:

taMa

jj

j= 1+ 2 = mkρ0∇ − tmkρ0∇ (1.5) Trong đó:

m 2 k ct 1

mk a a k

a = + + (1.6)

t m 2

t

ct 1

t

mk a k

a = + (1.7)

1.2.2 Các dòng dịch chuyển và thế dịch chuyển ẩm tro ng vật xốp mao dẫn

Dịch chuyển lỏng mao dẫn (khuếch tán mao dẫn) trong vật xốp mao dẫn, có các mao mạch lớn (r > 10P

-5 P), gắn liền với liên kết cơ lý Trong vật xốp cấu trúc đa mao mạch, dòng ẩm lỏng tỷ lệ thuận với gradient thế mao dẫn ψ :

ψ

∇

= kψ

j2md (1.8) Thế mao dẫn ψ trong trờng hợp đẳng nhiệt tỷ lệ với hàm ẩm M Trong điều kiện không đẳng nhiệt, dòng ẩm lỏng khuếch tán mao dẫn jR 2md Rđợc xác định:

ta

Ma

k

md 2 0

md 2 md

δ

=

ψ

2 1

1r

12

dòng hơi tổng ứng với áp suất tổng p = const sẽ gồm dòng khuếch tán phân tử

jR 1pt R, dòng khuếch tán đối lu j1dlR R = ρ1 vkvà dòng chảy tràn jR 1ct R p suất bay hơi á

pR 1 R là hàm của hàm lợng ẩm và nhiệt độ, pR 1 R = f(M,t) Vậy nên, dòng dịch chuyển ẩm có thể thể hiện bằng quan hệ:

md 1 0

md 1 ct 1 dl 1 pt

1

1 = + + =− ρ ∇ − ρ ∇ (1.11) Vậy dòng ẩm tổng dịch chuyển trong vật xốp mao dẫn là:

Mmd a a

a = + (1.14) Ngoài ra, còn có dịch chuyển ẩm lỏng và hơi do lực thấm mao dẫn (đợc nghiên cứu trong lý thuyết thấm) Giả thiết dòng thấm lỏng và hơi độc lập nhau, có thể viết:

i

i i i

= i=1,2 (1.15)

1.2.3 Các dòng dịch chuyển ẩm trong vật keo xốp mao dẫn

Quá trình dịch chuyển ẩm trong vật keo xốp mao dẫn đợc xác định bằng các hiện tợng dịch chuyển khác nhau đã đợc phân tích trong vật keo

và vật mao dẫn ở trên

Nếu bỏ qua ảnh hởng của lực trọng trờng thì sự truyền ẩm trong VLS

do các lực nhiệt động khác nhau và các lực nhiệt động này đều là hàm của hàm ẩm M và nhiệt độ t, do đó chúng có thể biểu diễn qua ∇M ∇t

Dịch chuyển ẩm trong vật keo xốp mao dẫn đợc xác định bằng công thức:

j a M a 0 t aM 0( M t)

t M 0

là hệ số khuếch tán nhiệt tơng đối, t

M

M / a a

=

mk Mmd

mk k Mmd md

t mk t

Mmd

t

M

mk Mmd

M

aa

aa

aa

a

aa

a

+

δ+δ

Các hệ số khuếch tán ẩm aR M R và δ đều là hàm của hàm ẩm và nhiệt độ Đặc

trng thay đổi của hệ số aR M R với độ chứa ẩm khác nhau đợc xác định theo

dạng liên kết ẩm và dạng dịch chuyển ẩm (lỏng và hơi) Với vật xốp mao dẫn

điển hình, hệ số aR M R sẽ tăng khi độ chứa ẩm tăng, và với độ chứa ẩm lớn thì aR M

Rkhông đổi Nếu quá trình là dịch chuyển ẩm lỏng thì hệ số aMR R sẽ tăng hoặc

không đổi phụ thuộc vào dạng đờng cong phân bố hang xốp theo đờng kính

Hệ số aR M R của các vật liệu đợc xác định bằng thực nghiệm dới dạng bảng số

hoặc công thức

1.2.4 Dịch chuyển ẩm thấm đối lu trong vật liệu sấy

Trong quá trình sấy cờng độ cao, nếu nhiệt độ của VLS lớn hơn 100P

0 P

C thì phân áp suất hơi nớc bão hoà pR 1 R sẽ lớn hơn áp suất không khí của TNS

Khi đó, dòng dịch chuyển hơi ẩm do khuếch tán trong vật xốp đợc thay thế

bởi dòng dịch chuyển ẩm thấm đối lu

Gradient áp suất tổng (∇ xuất hiện khi nhiệt độ VLS lớn hơn 100p) P

0

PC, tuy nhiên nếu quá trình sấy đợc thực hiện bằng quá trình đốt nóng bên trong

(ví dụ sấy cao tần) thì ∇ p xuất hiện ngay cả khi nhiệt độ bé hơn 100P

0

PC

Sự tồn tại của ∇ gây nên dòng dịch chuyển ẩm thấm đối lu của hỗn p

hợp khí hơi ở dạng thấm trong môi trờng xốp, nên khi tính dòng dịch –

chuyển ẩm (lỏng, hơi) tổng quát cần bổ sung dòng dịch chuyển này Mật độ

dòng hơi dịch chuyển bởi dòng thấm này là:

p k p k v

j1= ρ1 = − ρ10∇ = − p∇ (1.18) Với ρ10=ρ1/ρlà nồng độ tơng đối của hơi nớc, kR p R là hệ số dòng nồng độ

phân tử :

)d1/(

kdk

kp= ρ10 = + (1.19) với d là dung ẩm của không khí

Dòng ẩm tổng khi tồn tại gradient áp suất tổng bằng:

j a M at 0 t kp p

M 0

1.3 Công thức sấy lý thuyết

Dựa trên cơ sở phân tích cơ cấu dịch chuyển ẩm và thế dịch chuyển ẩm trong VLS, năm 1966 Luikov A.V đã đa ra mô hình toán học mô tả quá trình sấy của vật liệu keo xốp mao dẫn nh sau:

pktkMkp

pktkMkt

pktkMkM

33 2 32 2 31

2

23 2 22 2 21

2

13 2 12 2 11

2

∇+

∇+

∇+

∇+

thời gian cụ thể, sẽ xác định đợc trờng nhiệt độ, trờng hàm ẩm và trờng

áp suất tổng trong VLS

1.4 Sấy nông sản thực phẩm

1.4.1 Tầm quan trọng của việc sấy nông sản thực phẩm

mộcà

Sấy là một bớc quan trọng trong quá trình sản xuất và tiêu thụ nông sản thực phẩm gồm: làm đất, gieo trồng chăm sóc, thu hoạch, sấy, bảo quản, -tiêu thụ và vận chuyển, nó chiếm hơn 50% tổng năng lợng tiêu tốn cho quá trình này Phân bố năng lợng tiêu thụ trong quá trình sản xuất ngũ cốc tại Mỹ năm 1992 [16] đợc trình bày trên hình 1.1

1 2 3 4 5

Trong đó: 1 Sấy (60%), 2 Làm đất (16%), 3.Gieo trồng và chăm sóc (12%), 4 Thu hoạch (6%), 5 Vận chuyển (6%)

Quá trình sấy làm tăng thời gian bảo quản của thực phẩm ở độ ẩm 23%, nhiệt

Chính vì tầm quan trọng đối nông sản thực phẩm nên các nhà khoa học

đã quan tâm nghiên cứu quá trình sấy từ rất sớm nhằm hiểu rõ bản chất quá trình này để tác động nâng cao chất lợng sản phẩm, giảm tối thiểu tiêu hao năng lợng

Quá trình sấy nông sản thực phẩm thờng đợc chia ra làm hai giai

đoạn chính

1.4.2 Giai đoạn tốc độ sấy không đổi của NSTP

ẩm tồn tại trong NSTP dưới dạng nước hoặc hỗn hợp hơi-nước NSTP được xếp vào loại vật liệu keo xốp mao dẫn Trong suốt quỏ trỡnh sấy, ẩm bay hơi từ bề mặt hoặc t cỏc lỗ mao dẫn ừ và rời khỏi VLS do sự chênh lệch phõn

ỏp suất hơi nước giữa bề VLS và lớp khụng khớ bao quanh Tốc độ bay hơi

ẩm phụ thuộc vào điều kiện và phương phỏp sấy Sau một thời gian để cõn bằng, hàm ẩm M giảm theo một đường tuy tến ớnh trong một khoảng thời gian rồi giảm theo đường phi tuyến cho đến khi đạt trạng thỏi cõn bằng MR cb R ỡ th quỏ trỡnh sấy dừng ại, phần ẩm t l ự do tỏch được là:

Hỡnh 1.2: Biến thiên hàm ẩm và vận tốc sấy của NSTP trong giai đoạn tốc độ

sấy khụng đổi và tốc độ sấy thay đổi

Giai đoạn tốc độ sấy không đổi xuất hiện khi tốc độ ẩm bay hơi tại bề mặt nhỏ hơn hoặc bằng tốc độ ẩm chuyển từ trong lòng VLS ra bề mặt Tốc

độ sấy ở giai đoạn này (

dt

Md) cú thể dùng công thức dới đây để tính toán:

wb fg

'

−

∞ (1.23) Trong đó: TR∞ R và TR wb R lần lượt là nhiệt độ nhiệt kế khụ và nhiệt độ nhiệt kế ướt

của TNS, hRfgRlà nhiệt ẩn hoá hơi ở nhiệt độ đọng sơng của TNS.

Việc tớnh toỏn chớnh xỏc tốc độ sấy khụng đổi theo cụng thức (1.23) phụ thuộc vào diện tớch bề mặt A và entanpi hP

’

P Điều này thực sự khú khăn bởi sự thay đổi cấu trỳc của cỏc loại VLS [18]

Trong [19] đã trình bày một phơng pháp để xét động lực quá trình sấy trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi dựa trên quan điểm coi quá trình này hoàn toàn do quá trình TN TC bên ngoài chi phối do luôn có một màng nớc -

tự do trên bề mặt bay hơi Giai đoạn này gần nh độc lập với vật liệu sấy Xét truyền nhiệt bằng đối lu, thì tốc độ bay hơi ẩm N (kg/mP

X

N − = (1.24) hoặc:

dt

M d A

X

Trong đó: X là khối lợng ban đầu của VLS, XRsRlà khối lợng cốt khô .

Giỏ trị hàm ẩm tại đú tốc độ sấy thay đổi từ hằng số sang tốc độ giảm dần được gọi là hàm ẩm gốc MR c Rcủa sản phẩm, tốc độ bay hơi ẩm trong giai

đoạn tốc độ sấy không đổi là NR const R Hàm ẩm gốc phụ thuộc vào đặc tớnh của phần rắn như là hỡnh dỏng, cấu trỳc và điều kiện sấy vì vậy mỗi loại VLS có thể có nhiều hơn một giá trị hàm ẩm gốc tại mỗi đờng cong tốc độ sấy

Giá trị NR const R đợc xác định nhờ vào kinh nghiệm hay sự phân tích để

ớc lợng tốc độ TN TC, Keey (1978) và Geankopolis (1993) [19] đã đa ra công thức:

-s consth

q

N = ∑ (1.26)

Trong đó: q là tổng lợng nhiệt do đối lu, dẫn nhiệt, bức xạ và h là nhiệt ẩn s

bay hơi tại nhiệt độ của VLS

Khi sấy đơn thuần là đối lu, bề mặt vật liệu sấy luôn bão hoà hơi nớc nên nhiệt độ màng lỏng luôn duy trì ở nhiệt độ nhiệt kế ớt của VLS

Có nhiều loại NSTP không có giai đoạn tốc độ sấy không đổi bởi tốc độ TN-TC bên trong luôn quyết định lợng nớc đi ra bề mặt bay hơi Ví dụ nh ngũ cốc khụng cú giai đoạn tốc độ sấy khụng đổi trừ khi chỳng được thu hoạch quỏ non Theo Simmonds và cỏc cộng sự (1953) [19] giai đoạn tốc độ sấy khụng đổi của lỳa mỡ tồn tại khi hàm ẩm ban đầu khoảng 50-55%

1.4.3 Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần của NSTP

Trong giai đoạn tốc độ sấy giảm dần, tốc độ bay hơi ẩm tại bề mặt lớn hơn tốc độ ẩm chuyển từ trong lòng VLS ra bề mặt Lúc này, hàm ẩm của VLS giảm xuống dới giá trị hàm ẩm gốc nên phân áp suất ở bề mặt của sản phẩm PR v R giảm Vì vậy động lực của quá trình sấy ∆ giảm, điều này làm cho Pvtốc độ sấy giảm dần Giai đoạn này gradient hàm ẩm xuất hiện trong sản phẩm, nhiệt độ của sản phẩm tăng lên đến nhiệt độ nhiệt kế khô của TNS Bề mặt sấy của VLS ban đầu sẽ có một phần không bão hoà ẩm sau đó toàn bộ không bão hoà ẩm cho đến khi VLS đạt đợc hàm ẩm cân bằng

Việc xác định tốc độ sấy, thời gian sấy của các sản phẩm NSTP trong giai đoạn tốc độ sấy thay đổi rất phức tạp bởi không chỉ có quá trình TN-TC trên bề mặt bằng đối lu mà còn dẫn nhiệt và truyền chất trong lòng VLS

Mặc dù có rất nhiều lý thuyết và công thức đợc phát triển để xác định tốc độ sấy, thời gian sấy, sự thay đổi tính chất VLS trong quá trình sấy nhng không có một lý thuyết nào giải quyết đợc trọn vẹn bài toán này Các lý thuyết điển hình gần đây là của: Key và Suzuki (1974), Peck và Wasan (1974), Berger và Pei (1975), Whitaker (1980), Fortes và Okos (1981) Cũng

có một số tác giả trớc đó đã đa ra các mô hình toán phức tạp hơn nh Philip

và De Vries (1957), Krischer (1963), Luikov (1966) Mô hình của Luikov hẹp hơn mô hình của Philip và De Vries, cung cấp cái nhìn sâu sắc quá trình sấy ngũ cốc [18], [19] Từ những năm 1985 trở lại đây các nhà khoa học tập trung vào ứng dụng định luật 2 của Fick áp dụng cho chất lỏng để giải quyết bài toán sấy NSTP Ta sẽ đi sâu tìm hiểu một số lý thuyết

Mô hình sấy lý thuyết, trình bày trong công thức (1.21), đợc áp dụng cho các loại VLS keo xốp mao dẫn nói chung với các giả thiết:

- ẩm dịch chuyển dựa vào lực mao dẫn, lực thẩm thấu, lực trọng trờng;

- ẩm dịch chuyển dựa vào sự tập trung khác nhau của mật độ;

- Sự bay hơi dựa trên phân bố ẩm khác nhau và nhiệt độ khác nhau

Đối với sấy NSTP thì có thêm một số đặc thù riêng nh không có thành phần gradient áp suất tổng (∇ bởi nhiệt độ sấy NSTP thờng dới 100p) P

0

PC nên phân áp suất hơi nớc bão hoà vẫn bé hơn áp suất của TNS

Cú hai cụng thức thể hiện sự thay đổi liờn tục của truyền ẩm và truyền năng lượng trong quá trình sấy NSTP:

∂

∂ ρ

Trong đú: D là hệ số khuếch tán ẩm của cả lỏng và hơi, k là hệ số truyền

năng lượng; chỉ số dưới m là chỉ số truyền dựa trờn gradient ẩm, và th là chỉ

số truyền dựa trờn gradient nhiệt độ

Bằng cỏch ỏp dụng định luật bảo toàn chất và năng lượng được 2 cụng thức

không ổn định đối với hàm ẩm và nhiệt độ trong một mẫu VLS của quỏ trỡnh sấy:

2 k M k

t (1.28b)

Trong đú: kR 11 R, kR 22 R là cỏc hệ số hiện tượng ảnh hưởng chớnh (kR 11 R = D và kR 22 R =

1/α), cỏc giỏ trị k cũn lại là hệ số ảnh hưởng chộo của độ ẩm, gradient nhiệt

độ trong quỏ trỡnh truyền nhiệt truyền chất

Hệ số ảnh hưởng chộo đối với hầu hết cỏc NSTP là khụng xỏc định được

Cỏc quỏ trỡnh sấy thực tế được thực hiện trong cỏc điều kiện mà cụng thức của Luikov cú thể được đơn giản hoỏ Cụng thức (1.28) đó được Husain

v c ngà ộ sự [18], [19] tiến hành các thực nghiệm và kết luận ằng các hệ số ảnh rhưởng chộo khụng cần thiết cho tớnh chớnh xỏc của quỏ trỡnh sấy NSTP Do

Cụng thức (1.31) đó được giải với rất nhiều điều kiện và hỡnh dạng bởi Crank

(1975) Đối với NS, điều đầu tiờn phải chấp nhận là hỡnh dỏng hỡnh học kinh

điển (trụ, cầuà) của cỏc loại NS

Thụng thường dũng ẩm trong lòng ngũ cốc đi ra bằng toả (lỏng hoặc hơi)

Do đú, hệ số ảnh hưởng kR 11 R được gọi là hệ số khuếch tán, D, với đơn vị là

∂

∂

=τ

∂

∂

r

Mr

cr

MD

M

2

2

(1.32)

Trong đú: c là hệ số chiều bằng 1 đối với hỡnh trụ và 2 đối với hỡnh cầu

Điều kiện ban đầu và điều kiện biờn thường được nghiên cứu trong sấy NS là:

M(r,0) = M (bđ) đối với r < R (1.33)

M(rR 0 R,0) = M (cb) đối với t > 0 (1.34)

Giải phơng trình (1.32) đối với điều kiện đơn trị (1.33), (1.34) thu đợc sự

thay đổi hàm ẩm không thứ nguyên Mr (Crank 1975, Chapman 1984) đối với

NS dạng hình cầu :

Mr = π ∑∞  π 

=

2 2 2

16

∑∞

=

2

2 n 1

n n2

X4-exp

4

(1.36)

Trong đú λ n là nghiệm của phương trỡnh Bessel bậc khụng Trong cụng thức

này, hàm ẩm trung bình và thời gian là giỏ trị không thứ nguyên:

Mr =

cb 0

_ cb

MM

M)t(M

−

−

(1.37)

1.4.3.2 ứng dụng định luật 2 của Fick áp dụng đối với chất lỏng để giải quyết bài toán sấy NSTP

Định luật 2 của Fick đợc phát biểu cho trạng thái phân bố không ổn

định hay thay đổi liên tục mật độ trong một thể tích thay đổi theo thời gian tuân theo công thức:

xD2

∂

φ

∂

=τ

∂

φ

∂

(1.39a) Trong đó: φ : mật độ, kg.mP

áp dụng định luật này cho sự khuếch tán ẩm trong vật liệu sấy ta có công thức:

2 f 2 L f

x

MD

M

∂

∂

=τ

∂

∂

(1.39b)

Trong đó: MRfR là khối lợng riêng cốt khô.

a) ứng dụng để tính thời gian sấy đối với một tấm mỏng

Khi giải phơng trình (1.39) lấy phần đầu của nghiệm có đợc các kết quả trong bảng 1.1 thể hiện thời gian sấy tronggiai đoạn tốc độ sấy không đổi và tốc độ sấy giảm đối với một phiến mỏng Với điều kiện ban đầu và điều kiện biờn như sau:

- Khi τ = 0: MR f RP P=P PMRiRtại mọi x ;

- MR f R = 0, tại x = a (đỉnh của bề mặt bay hơi) và 0

mặt đỏy phần khụng bay hơi)

Bảng 1.1: Thời gian sấy với cỏc mụ hỡnh tốc độ sấy [19]

TT Tốc độ Thời gian sấy

N

dMAX

2 N = NR c R (giai đoạn tốc độ sấy

1 2 s c

N

)MM(A

−

=τ

3 N= aM + b (giai đoạn tốc độ

1 2

1

2 1 s f

N

Nln)NN(

)MM(A

M

−

−

=τ

4 N = AM (Mcb ≤M2 ≤Mc)

2 c c

c s f

M

MlnAN

MX

=τ

2 f

M

M8lnD

aππ

+ A: diện tớch bay hơi;

+ MR cb R: hàm ẩm cõn bằng (quỏ trỡnh sấy kết thỳc);

+ MR f R: phần hàm ẩm tự do;

P

+

PMR c R: hàm ẩm gốc;

+ NR c R: Cờng độ bay hơi tại điểm bắt đầu chuyển từ giai đoạn tốc độ sấy

khụng đổi sang giai đoạn tốc độ sấy thay đổi

Cỏc biểu thức trong bảng 1.1 chỉ đỳng với thời gian sấy dài do chúng thu được khi chỉ giữ lại số hạng đầu tiên nghiệm dạng chuỗi của phơng trình(1.39)

= ∑∞

Db)1n2(exp1n

18

2 2 1

n 2

2 n L 2

n

2 exp D aa

R

14

=1 n

L 2 2

DR

nexp

6Mr

1.4.4 Một số mô hình tính hàm ẩm khi sấy NSTP kết hợp lý thuyết và thực nghiệm

Có một số mô hình, xây dựng trên cơ sở lý thuyết định luật 2 của Fick kết hợp với thực nghiệm, để dự đoán hàm ẩm tại thời điểm τ của VLS

1.4.4.1 Mô hình đơn giản

Với giả thiết hệ số khuếch tán không đổi, giải phơng trình (1.39) giữ lại số hạng đầu tiên của chuỗi vô hạn có đợc mô hình để biểu diễn hàm ẩm không thứ nguyên sau:

Mr = Ae − k τ (1.40) Công thức (1.40) có thể đợc viết lại thành:

cb 0

cb (M M )AeM

2

1 A eA

M= + − (1.42) Trong đó:

Điều này đã đợc mô hình Page cố gắng khắc phục

1.4.4.2 Mô hình Page

Mô hình Page đợc phát triển bởi Page (1949) để cải thiện độ chính xác của mô hình đơn giản:

)kexp(

Mr = − τN (1.43) Công thức (1.43) đợc viết lại:

)kexp(

AA

4

= (1.44)

điều kiện biên nhng nó vẫn thừa nhận giả thiết hệ số khuếch tán là không đổi (điều này có nghĩa là giả thiết nhiệt độ của VLS không đổi)

τ

− τ

− ++

3 k 2

1 A e A eA

& Hamdy, 1980; Colson &Young, 1990;à) [21]

Tuy nhiên, các công trình thờng chỉ nghiên cứu đối với một phần tử VLS nên chỉ áp dụng đợc cho dạng sấy lớp mỏng

1.4.5 Sấy NSTP dạng lớp chặt

Sấy lớp chặt thờng đợc áp dụng đối với sấy các loại NSTP có cấu trúc bền vững (độ co ngót về thể tích gần nh không đáng kể)

M« h×nh sÊy líp chÆt thêng phøc t¹p vµ chØ cã thÓ gi¶i ®îc b»ng m¸y

vi tÝnh

§Ó thiÕt lËp ®îc m« h×nh cña qu¸ tr×nh nµy cÇn gi¶ thiÕt:

1 Thể tích VLS co ngót gần như không đáng kể trong suốt quá trình sấy;

2 Gradient nhiệt độ trong lßng hạt là không đáng kể;

3 Sự đối lưu từ hạt tới hạt là không đáng kể;

4 Lưu lượng TNS và VLS không đổi;

∂

∂M không đáng kể so với

M

∂

∂

;

6 Tổn thất nhiệt ra m«i trêng không đáng kể (quá trình đoạn nhiệt);

7 Tổng lượng nhiệt của TNS và VLS là hằng số trong một thời gian ng¾n;

1 Entanpi của không khí

Năng lượng truyền bằng đối lưu cân bằng giữa dòng ra và dòng vào phân

tố thể tích nên có công thức:

Wcc

ahT

x

TV

v a a a

'

ρ+ρ

−

=τ

∂

∂ε+

ahx

T

v a a a

'

θ

−+

x

MGMcc

)T(ch)T(Mcc

ah

a w p p p

v fg w

p p p

'

∂

∂ρ

+ρ

θ

−+

+θ

−ρ

+ρ

∂

∂ρε+τ

∂

∂+τ

=ττ

)dxx

WW(SG-SWdGd

K M

t

M

11 2

a h x

T

v a a a

'

θ

− +

)T(ch)T(McGcG

ah

w p p p

v fg w

p p p

'

∂

∂+

θ

−+

+θ

−+

c) Mụ hỡnh sấy thuận chiều

Khụng khí và VLS chuyển động cùng chiều:

( T )

W c G c G

a h dx

dT

v a a a

'

θ

− +

−

= (1.57)

dx

dW G M c G c G

) T ( c h ) T ( M c G c G

a h dx

d

a w p p p

v fg w

p p p

'

+

θ

− + + θ

− +

ahdx

dT

v a a a

'

θ

−+

)T(ch)T(McGcG

ahdx

d

a w p p p

v fg w

p p p

'

+

θ

−+

+θ

−+

W(L) = W(vào)

M (0) = MR 0 R

Nhận xét: các mô hình lý thuyết cho quá trình sấy NSTP đều là chỉ gần

đúng và rất phức tạp Chính vì vậy hiện nay ngời ta thờng kết hợp lý thuyết với thực nghiệm để thiết kế các hệ thống sấy NSTP Dùng lý thuyết làm cơ sở

để tiến hành xây dựng các mô hình thực nghiệm, rồi từ mô hình thực nghiệm kiểm tra ngợc lại tính đúng đắn của lý thuyết, nhằm tìm ra mô hình lý thuyết ứng dụng tốt nhất cho từng trờng hợp cụ thể (VLS và phơng pháp sấy)

Chơng 2 Tổng quan về công nghệ sấy NSTP bằng bơm nhiệt

Và mục đích nghiên cứu của luận văn

Cú rất nhiều NSTP như hoa quả, rau, gia vị, thảo mộc được sấy Theo một thống kờ gần đầy đủ của FAO thỡ khoảng 20% tổng sản lượng rau quả của thế giới được sấy, 50% được dùng khi cũn tươi, 20% được bảo quản lạnh, 5% đúng lon và 5% muối chua Sản lượng rau quả của thế giới trong thời gian

từ 1996 2001 thể hiện trong bảng sau:

-Bảng 2.1: Sản lượng rau quả của thế giới

Năm Hoa quả ( tấn) Rau bao gồm cả dưa

Theo phơng pháp cấp nhiệt có thể chia ra các loại:

1 Phơng pháp sấy đối lưu : VLS nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể núng mà thụng thường là khụng khớ núng hoặc khúi lũ Đõy là

loại HTS phổ biến hơn cả Trong HTS đối lưu đợc phõn ra cỏc loại : HTS buồng, HTS hầm, HTS thựng quay, HTS thỏp, HTS khớ động, HTS tầng sụi, HTS phun

2 Phơng pháp sấy tiếp xỳc : VLS nhận nhiệt từ một bề mặt vật núng Trong cỏc HTS tiếp xỳc người ta tạo ra độ chờnh phõn ỏp suất nhờ tăng phõn ỏp suất hơi nước trờn bề mặt tiếp xúc của VLS và bề mặt gia nhiệt Thường gặp HTS lụ, HTS tang

3 Phơng pháp sấy bức xạ : VLS nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để

ẩm dịch chuyển từ trong lũng VLS ra bề mặt và từ bề mặt khuếch tỏn vào môi trường Như vậy, trong HTS bức xạ người ta tạo ra độ chờnh phõn ỏp suất hơi nước giữa VLS và mụi trường chỉ bằng cỏch đốt núng vật

4 Các phơng pháp sấy khỏc : Ngoài cỏc HTS kể trờn cũn cú HTS dựng dũng điện cao tần hoặc dựng năng lượng điện từ trường để đốt núng vật Núi chung những HTS kiểu này thường ớt gặp

Theo phơng pháp tạo thế sấy ngời ta phân chia ra:

1 Phơng pháp sấy nóng: nhờ đốt núng TNS lẫn VLS hoặc chỉ đốt núng VLS mà hiệu số giữa phõn ỏp suất hơi nước trờn bề mặt vật pR a R

và phõn ỏp suất hơi nước trong TNS tăng dẫn đến quỏ trỡnh dịch chuyển ẩm từ trong lũng VLS ra bề mặt và đi vào mụi trường

2 Sấy lạnh: tạo ra độ chờnh phõn ỏp suất hơi nước giữa VLS và TNS chỉ bằng cỏch giảm phõn ỏp suất hơi nước trong TNS nhờ giảm độ chứa ẩm: sấy thăng hoa, sấy chân không, sấy bằng bơm nhiệt nhiệt

độ thấp

Sấy NSTP bằng bơm nhiệt đang đợc tập trung nghiên cứu trên thế giới và cả

ở Việt Nam do có nhiều u điểm nh tiết kiệm năng lợng, chất lợng sản phẩm tốt, thân thiện với môi trờngà

2.2 bơm nhiệt Sấy NSTP

Bơm nhiệt là thiết bị dựng để đưa một dũng nhiệt từ nguồn cú nhiệt độ thấp đến nguồn cú nhiệt độ cao hơn, phự hợp với nhu cầu cấp nhiệt Để duy trỡ bơm nhiệt hoạt động cần phải tiờu tốn một dũng năng lượng khỏc như nhiệt năng, điện năng Trong khuôn khổ luận văn chỉ đề cấp đến bơm nhiệt nén hơi dùng để sấy các loại NSTP

Sấy bằng bơm nhiệt cú nhiều thuận lợi hơn sấy bằng khụng khớ núng thụng thường để sấy sản phẩm NSTP, cụ thể là: quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt

độ thấp, hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn do cả nhiệt hiện và nhiệt ẩn của chất bay hơi đều được thu hồi, chất lượng sản phẩm tốt hơn, quỏ trỡnh sấy hoàn toàn độc lập với điều kiện bờn ngoài Ngoài ra, cụng nghệ này thõn thiện với mụi trờng do môi chất lạnh và hơi nớc khụng thải ra khụng khớ Nước ngưng được thu hồi và nếu biện phỏp xử lý thớch hợp cú thể thu hồi cócỏc chất cú giỏ trị bị bay hơi vào nước ngưng

2.2.1 Nguyờn lý hoạt động của bơm nhiệt sấy

Bơm nhiệt sấy (BNS) NSTP thờng bao gồm các thành phần: máy nén, dàn ngng trong, dàn ngng ngoài, dàn bốc hơi, thiết bị tiết lu, buồng sấy, khay sấy, quạtà TNS đợc dàn ngng gia nhiệt rồi đi vào nhận ẩm của VLS trong buồng sấy và tuần hoàn trở lại Một phần ẩm trong TNS đi qua dàn bay hơi được ngưng đọng lại, TNS sẽ nhả nhiệt ẩn cho chất bay hơi, đú là mụi chất lạnh trong các ống dàn bay hơi Nhiệt này được sử dụng để gia nhiệt trở lại cho TNS tại dàn ngưng của bơm nhiệt Hình 2.1 thể hiện sơ đồ nguyên lý của một BNS

TNS đi qua dàn bay hơi được làm lạnh tới nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đọng sương nờn hơi nước ngưng lại Nhiệt ẩn thu hồi của quỏ trỡnh (-2255kJ/kg của nước ngng) tại dàn ngưng của chu trỡnh lạnh đợc sử dụng để gia nhiệt trở lại cho TNS Tại dàn lạnh việc tỏch nước ở trạng thỏi lỏng do hơi nớc trong

TNS ngng đọng lại cho phộp giữ được nhiệt ẩn và chỉ cú một phần nhỏ nhiệt hiện bị mất Phần lớn cỏc bơm nhiệt tuần hoàn 100% nhưng cũng cú một số khụng được tuần hoàn

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý c ủa bơm nhiệt sấy Trong đó: 1 - Buồng sấy có bọc cách nhiệt, 2 Bộ phận duy trì độ ẩm, 3 Cửa thải, 4 - - - Dàn ngng ngoài, 5 Cụm bơm bơm nhiệt khử ẩm, 6 Nớc ngng, 7 Khay sản phẩm sấy, - - -

8 - Quạt cấp, 9 Cánh hớng phân bố gió -

2.2.2 Hiệu suất quỏ trỡnh sấy

Hiệu suất quá trình sấy được tớnh toỏn thụng qua lượng năng lượng tiờu tốn để tỏch một đơn vị khối lượng nước từ sản phẩm Thụng thường được tớnh bằng kJ/kg, nhng nếu quan tõm điện tiờu tốn để vận hành thỡ sử dụng đơn vị kWh/kg

Hiệu suất của bơm nhiệt cú thể đỏnh giỏ thụng qua hệ số hiệu quả (COP):

COP = QR h R/ W (2.1) Trong đú: QR h R: năng lượng hấp thụ của chất bay hơi (thông thờng là nớc)

(QR h Rlà tổng năng lượng điện cấp và lợng nhiệt tiêu tốn để làm ngng đọng

hơi nớc), W: năng lợng điện cấp

Hiệu suất của bơm nhiệt thờng xác định bằng giỏ trị COP, trong một

số trường hợp việc hỳt ẩm được tớnh toỏn thụng qua khối lượng nước ngưng

được trờn một đơn vị năng lượng điện tiờu tốn Đú là lượng ẩm riờng SMER:

COP = 1 + SMER x hR fg R (2.2)

Trong đú SMER được tớnh bằng kg/kWh và h, R fg Rlà nhiệt ẩn của nớc Giỏ trị

của SMER nằm trong khoảng từ 1 đến 4 kg/kWh và thường cú giỏ trị trung

bỡnh nằm trong khoảng 2,5 kg/kWh [26] Hiệu suất của sấy núng với TNS là

khụng khớ thường nhỏ hơn 60% hiệu suất của bay hơi, quy đổi sang SMER

khoảng 0,95kg/kWh BNS cú hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn hệ thống

sấy núng thụng thường khỏc So sỏnh hiệu suất và cỏc ưu điểm của BNS, sấy

chõn khụng, sấy núng đợc thể hiện trong bảng 2.2

Bảng 2.2: So sánh hiệ u suất của các công nghệ sấy NSTP

2.3 Các kết quả nghiên cứu sử dụng bơm nhiệt sấy NSTP

Do đặc thù của quá t nh sấy là quá trình tiêu tốn nhiều năng lợngrì và các

u điểm của sấy bơm nhiệt nh đã trình bày trong mục 2.2 nên phần lớn các

nghiên cứu tập trung giải quyết việc lựa chọn sản phẩm, lựa chọn các chế độ sấy phù hợp, xác định chế độ sấy tối u (hiệu quả quá trình và chất lợng sản phẩm), xác định mô hình phù hợp để tính toán thời gian sấy hay hàm ẩm cho các hệ thống và vật liệu cụ thể, nghiên cứu phát triển cải tiến thiết bị bơm nhiệt để tăng hiệu quả quá trình sấy, tìm cách xử lý sơ bộ VLS để tăng tốc độ sấyà

2.3.1 Kết quả của các tác giả trên thế giới

Trong [21], các tác giả đã tiến hành nghiên cứu sấy chuối, coi chuối là hình trụ Để tăng tốc độ sấy, chuối đợc tiến hành xử lý sơ bộ bằng 4 cách: 1) Làm mất nhớt bằng cách cho ngập trong nớc sôi trong khoảng thời gian 3 phút;

o

PC trong 24h rồi đa ra ngoài 3h trớc khi sấy;

4) Dùng cả biện pháp làm mất nhớt kết hợp biện pháp kết đông

Tiến hành sấy các mẫu bằng BNS ở nhiệt độ 50P

0

PC, vận tốc TNS trong buồng 3,1m/s, các tác giả đã rút ra kết luận: tốc độ sấy tăng khi có qua kết đông, xử

lý làm mất nhớt tốc độ sấy tăng không đáng kể do nớc hấp phụ khi ngâm chuối trong nớc Với kết luận tốc độ sấy tăng khi tiến hành tiền xử lý kết

đông nhng các tác giả không có so sánh việc thời gian sấy tiết kiệm đợc nhờ xử lý kết đông với thời gian phải tiêu tốn để tiến hành tiền xử lý Ngoài ra, quá trình kết đông sẽ tiêu tốn một năng lợng rất lớn Vì vậy, kết quả nghiên cứu chỉ mang tính lý thuyết mà không mang tính thực tiễn áp dụng đợc cho việc sử dụng bơm nhiệt vào sản xuất trong thực tế

Nghiên cứu cũng tiến hành đánh giá sự phù hợp của 3 mô hình ứng với phơng trình (1.42), (1.44), (1.46), thể hiện đờng cong sấy Chỉ tiêu đánh giá

Thời gian (h)

Hình 2.2: Đờng cong sấy chuối có xử lý sơ bộ

dựa vào việc so sánh 3 giá trị sau:

1) Phần trăm sai số tuyệt đối:

M M

n

100 E

RMSE = ∑ − (2.4)3) Hệ số tơng liên:

tong du

2 1 SS /SS

Từ các kết quả thu đợc nhóm tác giả đã kết luận mô hình đơn giản không phù hợp để thể hiện đờng cong quá trình sấy chuối, mô hình 2 thành phần là phù hợp nhất để mô tả đặc tính quá trình sấy chuối, các thông số thể hiện giá trị

ẩm cân bằng, lợng ẩm tách đợc, tốc độ sấy chuối phù hợp giữa lý thuyết và thực nghiệm Các kết quả thu đợc cũng phù hợp với những kết quả của Noomhorm và Verma (1986) đối với gạo, Madamba (1996) đối với tỏi lát [21]

Việc sấy các sản phẩm NS gặp phải một vấn đề đó là các chất dinh dỡng, chất tạo màu, mùi thờng rất nhạy cảm với nhiệt độ nên trong quá trình sấy thờng bị giảm hoặc biến đổi (Lenart, 1996) Với u điểm lợng tiêu hao năng lợng bé, độ ẩm tơng đối và nhiệt độ TNS thấp (Vazquez, 1997) đồng thời các nghiên cứu (Prasertsan & Saen-saby, 1998; Strommen, 1994à) đã chỉ ra rằng chất lợng màu sắc và mùi vị của nông sản sấy bằng bơm nhiệt tốt hơn so với sấy nóng Xoài là một loại sản phẩm khá nhạy cảm với nhiệt độ, có nhiều chất dinh dỡng nh Vitamin A và C, mùi vị xoài cũng rất quyến rũ Trong [22], các tác giả đã tiến hành sấy xoài cắt lát ở nhiệt độ 30P

0

PC để có thể

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bơm nhiệt dùng trong nghiên cứu [6]

Trong đó:

I - Dàn bay hơi V - Mắt ga A - Quạt

II- Máy nén VI - Phin lọc B - Buồng sấy

III - Dàn ngng VII -Van tiết lu C - Van gió

IV - Bình chứa cao áp D - Điện trở

giữ màu sắc, mùi vị cho xoài Quá trình thí nghiệm nhằm đánh giá sự ảnh hởng của tốc độ không khí và chiều dày lát tới hệ số khuyếch tán ẩm (DR L R) bằng cách xây dựng một hàm hồi quy biểu diễn mối quan hệ của DR L R với

chiều dày lát cắt và tốc độ gió (ω ) Tác giả xuất phát từ công thức tính hàm TNS

ẩm trung bình cho trong bảng 1.2 là nghiệm của định luật 2 của Fick:

−

−

−π

18

MM

MM

2 2 1

n 2 cb o

1380538

,061922

,02625

,

4

TNS TNS

Phơng trình (2.6) chứng tỏ vận tốc gió ảnh hởng đến hệ số khuyếch tán ẩm lớn hơn nhiều so với chiều dày lát cắt Khi tác giả tiến so sánh kết tính DR L R thu

đợc từ phơng trình (2.6) với kết quả tính DR L Rtừ phơng trình (2.5) thì sai số khá lớn Điều này chứng tỏ rằng khi chỉ quan tâm đến 2 thông số độc lập là chiều dày lát và vận tốc gió để tính toán hệ số khuyếch tán ẩm thì cha tổng quát Bởi DR L R còn phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm VLS và nhiều yếu tố công nghệ khác Muốn tăng độ chính xác của kết quả thì cần giữ đợc nhiệt độ VLS không đổi, điều này đòi hỏi phải điều chỉnh nhiệt độ TNS một cách liên tục Cũng trong nghiên cứu này gía trị COP của bơm nhiệt đợc tính toán nằm trong khoảng từ 1,21 cho thấy hiệu suất sử dụng năng lợng của bơm nhiệt là khá cao, kết quả này cũng phù hợp với dải COP của bơm nhiệt đã đa

ra trong bảng 2.1

Yếu tố quan trọng nhất của một BNS là hệ số tách ẩm riêng (SMER) nên đã đợc nhiều tác giả tập trung nghiên cứu Khi quan tâm đến vấn đề thiết bị, bố trí thiết bị để đạt đợc SMER lớn nhất trong [23] đã xét 4 kiểu bố

trí của bơm nhiệt sấy, với 2 kiểu có chu trình TNS hở và 2 kiểu có chu trình TNS kín (xem hình 2.4)

Kiểu a) không khí từ môi trờng đợc cho đi qua dàn lạnh khử ẩm rồi đi vào buồng sấy, nhiệt độ không khí sẽ rất thấp Kiểu b) không khí từ môi trờng đi qua dàn ngng rồi vào buồng sấy, nhiệt độ khụng khớ sấy cao hơn Kiểu d) phát triển từ kiểu c) bằng cách cho một phần không khí Bypass qua dàn lạnh Các tác giả tập trung đánh giá ảnh hởng của việc tuần hoàn không khí và lợng Bypass qua dàn lạnh để thu đợc lợng tách ẩm riêng lớn nhất

Hình 2.4: Bốn kiểu bố trí của bơm nhiệt

Trong đó: E- dàn bốc hơi, C dàn ngng, D buồng sấy - - .

Tiến hành mô hình hoá trên máy tính các kiểu này thì thu đựơc kết quả nh sau: đối với kiểu c) thì khi hệ số tuần hoàn là 0,3 và 0,8 tơng ứng cho

H ình 2.5: Hình ảnh và sơ đồ nguyên lý của thiết bị thí nghiệm

kết quả hệ số tách ẩm riêng là lớn nhất và nhỏ nhất; còn kiểu d) khi hệ số tuần hoàn bằng chọn 0,8 và hệ số Bypass tơng ứng là 0,1 và 0,5 thì giá trị SMER cũng đạt đợc kết quả lớn nhất và nhỏ nhất Hai kiểu a) và b) chỉ có ý nghĩa về mặt hệ số COP Nghiên cứu [23] cũng đã xây dựng một hệ thống thực tế để tiến hành các thí nghiệm H nh 2.5ì là thiết bị thí nghiệm kết hợp cả

4 kiểu trên Các kết quả thực nghiệm đã đợc so sánh với kết quả mô hình hoá, hình 2.6 trình bày kết quả so sánh về hệ số tách ẩm (MER) và hệ số tách

ẩm riêng (SMER) giữa mô phỏng và thực nghiệm

Hình 2.6: Kết qủa so sánh của MER và SMER giữa lý thuyết và thực nghiệm

Các điểm phân bố khá đồng đều về 2 phía của đờng phân giác, điều này chứng tỏ các kết quả mô phỏng thu đợc sát với kết quả thực nghiệm Nh vậy thông qua việc mô phỏng và dùng thực nghiệm để kiểm chứng lại các tác giả

đã giải quyết đợc vấn đề về hệ số Bypass và hệ số tuần hoàn cho hệ thống sấy bằng bơm nhiệt Dùng thế mạnh của mô phỏng trong [24] đã tiến hành tối

u hóa quá trình sấy bằng bơm nhiệt nhằm mục tiêu chi phí cho một đơn vị

ẩm tách đợc là nhỏ nhất đối với hai loại vật liệu là xoài và đu đủ Các thông

số đợc xem xét để tối u hoá bao gồm: tỷ lệ không khí tuần hoàn (RC), tỷ lệ không khí Bypass qua dàn bốc hơi (BP), lu lợng gió (mR a R), nhiệt độ không khí (TR di R) Sử dụng hệ thống BNS có sơ đồ nguyên lý đợc trình bày nh trên

hình 2.7 Để mô phỏng các tác giả chia hệ thống thành 6 đối tợng để mô hình hoá

Các thông số trớc và sau khi sấy của VLS là: khối lợng 100kg, kích thớc của miếng đu đủ 2,5x2,5x1,5 cmP

3

, đối với xoài là 2,0x1,5x1,0 cm3

P và lợng ẩm ban đầu trong các loại VLS là 40%, độ ẩm cuối quá trình sấy là 18% Sơ đồ thuật toán mô phỏng quá trình sấy thể hiện trên hình 2.8

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt sấy dùng để mô hình hoá

Trong đó: CV.1: buồng sấy, CV.2: van điều chỉnh lu lợng gió tuần hoàn, CV.3: dàn ngng trong, CV.4: van điều chỉnh lu lợng Bypass, CV.5: dàn bay hơi, CV.6: quạt.

Với các giới hạn về thông số:

C55T

h/kg2000m

phẩm); còn đối với xoài là: BP = 71%, RC =100%, nhiệt độ (TR di R) 55P 0

PC, lu lợng (mR a R) 30,8 kg/(h.kg sản phẩm)

Hình 2.8: Sơ đồ thuật toán mô phỏng quá trình sấy

Các điều kiện tối u của các sản phẩm khác nhau là hoàn toàn khác nhau, tuy nhiên trong nghiên cứu này các tác giả chỉ hoàn toàn dựa vào mô phỏng để kết luận mà không có thí nghiệm thực tế, nên các tác giả không nêu lên đợc cách

bố trí VLS trong buồng sấy Mỗi cách bố trí VLS trong buồng sấy khác nhau

sẽ cho các kết quả mô hình hoá khác nhau vì vậy các điều kiện tối u lúc này cũng sẽ thay đổi Nhìn chung kết quả nghiên cứu trong [24] còn mang tính chất chung chung nên không hoàn toàn thuyết phục ngời đọc Có một số tác