Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm sấy bơm nhiệt tầng sôi

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Trang 2

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa –ĐHQG-HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS PHAN THÀNH NHÂN

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS Nguyễn Thế Bảo

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Đặng Thành Trung

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 07 tháng 07 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 Chủ tịch: TS Trần Văn Hưng

2 Thư ký: TS Huỳnh Phước Hiển

3 Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thế Bảo 4 Phản biện 2: PGS.TS Đặng Thành Trung 5 Ủy viên: PGS.TS Nguyễn Minh Phú

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG P.TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

Trang 3

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: DƯƠNG NGỌC KHÁNH MSHV: 2070337

Ngày, tháng, năm sinh: 23/07/1984 Nơi sinh: TIỀN GIANG Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT Mã số : 8520115

I TÊN ĐỀ TÀI:

Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm sấy bơm nhiệt tầng sôi

Theoretical and experimental study of fluidized bed heat pump drying II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tổng quan về tình hình nghiên cứu máy sấy bơm nhiệt bơm nhiệt tầng sôi trong nước và ngoài nước

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết máy sấy bơm nhiệt tầng sôi

 Xây dựng phần mềm tính toán, thiết kế máy sấy bơm nhiệt tầng sôi  Chế tạo mô hình máy sấy bơm nhiệt tầng sôi

 Thực nghiệm với sản phẩm hoa Lavender  Kết luận và đề xuất

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/09/2022

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 12/06/2023 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS PHAN THÀNH NHÂN

Tp HCM, ngày 25 tháng 07 năm 2023

P.TRƯỞNG KHOA CƠ KHÍ

Trang 4

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến Thầy TS.Phan Thành Nhân đã tận tình hướng dẫn, hỗ trợ một phần kinh phí và đóng góp nhiều ý kiến quan trọng quý giá cho nội dung luận văn

Tôi xin gửi lời cảm ơn đến các Thầy, Cô trong Bộ môn Công nghệ Nhiệt Lạnh trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện cho tôi tích lũy đầy đủ các kiến thức cần thiết để hoàn thành luận văn này

Tôi chân thành cảm ơn vợ, các con và người thân trong gia đình, bạn bè đã hỗ trợ về tinh thần, tạo điều kiện cho tôi học tập và hoàn thành luận văn này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 06 năm 2023 Tác giả

(Đã ký)

Dương Ngọc Khánh

Trang 5

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Đề tài:

“Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm sấy bơm nhiệt tầng sôi”

Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu tổng quan máy sấy bơm nhiệt bơm nhiệt tầng sôi trong nước và ngoài nước, tiến hành tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình máy sấy bơm nhiệt tầng sôi

Luận văn được thực hiện tại bộ môn Công nghệ Nhiệt Lạnh, khoa Kỹ thuật Cơ Khí, trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP HCM, từ tháng 9 năm 2022 đến tháng 6 năm 2023

Quá trình nghiên cứu được chia thành 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Tổng hợp tài liệu, và nghiên cứu lý thuyết

Giai đoạn 2: Chuẩn bị mua sắm vật tư, trang thiết bị, dụng cụ đo phục vụ quá trình chế tạo mô hình thực nghiệm, và tiến hành thực nghiệm

Giai đoạn 3: Xử lý số liệu, viết báo cáo hoàn tất luận văn Kết quả đạt được như sau:

Chế tạo được mô hình máy sấy bơm nhiệt tầng sôi công suất lạnh 2.61kW, công suất nhiệt 2.9kW

nghiệm có dạng như sau: Hàm số thời gian sấy (phút):

d − 255

Hàm số năng lượng riêng (kWh):

Xác định được khối lượng riêng, đường kính trung bình của hoa, vận tốc sôi tối thiểu, tổn thất áp suất của lớp hoa trong chế độ sấy tầng sôi

Trang 6

ABSTRACT Title:

“Theoretical and experimental study of fluidized bed heat pump drying”

The objective of the thesis is to study the overview of fluidized bed heat pump dryers in the country and abroad, to calculate, design and manufacture a fluidized bed heat pump dryer model

The thesis was conducted at the Department of Heat and Refrigeration Technology, Faculty of Mechanical Engineering, Ho Chi Minh City University Of Technology, Vietnam National University Ho Chi Minh City, from September 2022 to June 2023

The research process is divided into 3 phases:

Phase 1: Synthesis of documents, and theoretical research

Phase 2: Preparing to purchase materials, equipment, measuring instruments for the process of making experimental models, and conducting experiments

Phase 3: Data processing, writing report to complete the thesis The results are as follows:

Fabricated a fluidized bed heat pump dryer model with cooling capacity of 2.1kW, heating capacity of 2.1kW

The regression equation determining the drying time y1 and the specific

the experimental scale has the following form: Drying time function (minute):

y = 564 − 263.6x + 43x − 44.7x x − 6.7x − 51.7x

x = t − 45

d − 255

Specific energy function (kWh):

y = 12.74 − 5.427x + 0.65x − 1.13x x − 0.119x − 1.473x

Determine the density, average diameter of flowers, minimum boiling velocity, pressure loss of flower layer in fluidized bed drying mode

Trang 7

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi Các số liệu sử dụng phân tích trong luận văn có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả nghiên cứu trong luận văn do tôi tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan qua lý thuyết và thực nghiệm Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác

Tác giả

(Đã ký)

Dương Ngọc Khánh

Trang 8

1.1 Tổng quan về kỹ thuật sấy 1

1.2 Tổng quan về sấy bơm nhiệt 3

1.3 Tổng quan về sấy tầng sôi 4

1.4 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước 5

1.5 Tổng quan nghiên cứu sấy hoa Lavender 10

1.6 Lý do chọn đề tài 12

1.7 Mục tiêu của đề tài 13

1.8 Nội dung nghiên cứu 13

1.9 Phương pháp nghiên cứu 14

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 15

2.1 Lý thuyết tác nhân sấy (không khí ẩm) 15

2.2 Lý thuyết sấy bơm nhiệt 16

2.3 Lý thuyết sấy tầng sôi 18

2.4 Lý thuyết sấy bơm nhiệt tầng sôi 21

2.4.1.Cấu tạo máy sấy bơm nhiệt tầng sôi 21

2.4.2.Nguyên lý hoạt động 21

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT TẦNG SÔI 23

3.1 Thực nghiệm xác định thông số thiết kế tầng sôi 23

3.2 Thông số thiết kế 29

3.3 Tính toán quá trình sấy 30

3.3.1.Tính toán về phía tác nhân sấy 30

3.3.2.Tính toán về phía sản phẩm sấy 32

3.3.3.Tính toán quá trình sấy thực 33

3.3.4.Tính toán tầng sôi 38

3.3.5.Tính toán chu trình bơm nhiệt 39

3.3.6.Tính toán thiết kế dàn lạnh 41

3.3.7.Tính toán, thiết kế dàn ngưng tụ 49

3.3.8.Chương trình tính toán trên phần mềm EES 67

Trang 9

3.3.9.1 Chế tạo thiết bị 74

3.3.9.2 Các thiết bị 76

3.3.9.3 Thi công khung, sơn khung và lắp bánh xe 77

3.3.9.4 Lắp đặt thiết bị lên khung 78

3.3.9.5 Thử xì, thử bền, hút chân không, nạp tác nhân vào hệ thống 79

3.3.9.6 Vận hành thử, nghiệm thu hệ thống 79

CHƯƠNG 4 THỰC NGHIỆM SẤY HOA LAVENDER TRÊN MÁY SẤY BƠM NHIỆT TẦNG SÔI 83

4.1 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 83

4.2 Vật liệu và trang thiết bị dùng trong thực nghiệm 83

4.3 Thí nghiệm sấy đánh giá các thông số ảnh hưởng của quá trình sấy 85

4.3.1.Phân tích đánh giá ảnh hưởng của nhiệt độ sấy 85

4.3.2.Phân tích đánh giá ảnh hưởng của bề dày sản phẩm 92

4.3.3.So sánh sấy Lavender trên máy sấy bơm nhiệt tầng sôi và bơm nhiệt 99

4.4 Phương pháp quy hoạch thực nghiệm 102

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110

Phụ lục 8: Kết quả tính toán tỷ lệ các kích thước hạt 149

Phụ lục 9: Kết quả đo vận tốc sôi tối thiểu 150

Phụ lục 10: Bố trí thí nghiệm đo nhiệt độ, độ ẩm TNS 155

Phụ lục 11: Đồ thị biểu diễn độ ổn định của hệ thống khi sấy 157

Phụ lục 12: Ma trận thực nghiệm 161

Phụ lục 13: Thành phần điện tiêu thụ ở các chế độ sấy (kWh) 165

Phụ lục 14: Bảng tổng hợp kinh phí chế tạo 170

Trang 10

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hệ thống sấy bơm nhiệt theo Neslihan Colak [26] 3

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý sấy tầng sôi 4

Hình 1.3 Hoa Lavender 11

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý sấy bơm nhiệt 17

Hình 2.2 Chu trình bơm nhiệt 18

Hình 2.3 Quan hệ ∆p = f(v) của dòng TNS qua lớp hạt 19

Hình 2.4 Sơ đồ máy sấy bơm nhiệt tầng sôi 22

Hình 3.1 Hoa Lavender tươi dùng cho thực nghiệm 23

Hình 3.2 Mô hình thì nghiệm xác định vận tốc sôi, tổn thất áp suất 28

Hình 3.3 Tổn thất áp suất tại vận tốc sôi tối thiểu 1,5 m/s 29

Hình 3.4 Đồ thị I-d quá trình sấy thực 37

Hình 3.5 Đồ thị chu trình bơm nhiệt 39

Hình 3.6 Giản đồ pha quá trình sôi trong ống nằm ngang - R134a - t = 8oC 46

Hình 3.14 Lưu đồ tính toán trong phần mềm EES 69

Hình 3.15 Tổng quát giao diện của chương trình tính toán 70

Hình 3.16 Giao diện nhập dữ liệu đầu vào - Phần 1 71

Hình 3.17 Giao diện nhập dữ liệu đầu vào – Phần 2 71

Hình 3.18 Giao diện dữ liệu đầu ra – Phần 1 72

Hình 3.21 Mô hình 3D Máy sấy bơm nhiệt tầng sôi 74

Hình 3.22 Hình ảnh chế tạo khung, vỏ, lắp bánh xe máy sấy 78

Trang 11

Hình 3.24 Vị trí các điểm đo 80

Hình 4.1 Đường cong sấy bề dày VLS 20mm nhiệt độ TNS thay đổi 85

Hình 4.2 Đường tốc độ sấy bề dày VLS 20mm nhiệt độ TNS thay đổi 86

Hình 4.3 Chỉ số SMER (gw/kWh) bề dày VLS 20mm nhiệt độ TNS thay đổi 86

Hình 4.4 Đường cong sấy bề dày VLS 25mm Nhiệt độ TNS Thay đổi 87

Hình 4.11 Đường tốc độ sấy bề dày VLS 37mm Nhiệt độ TNS Thay đổi 91

Hình 4.13 Đường cong sấy nhiệt độ TNS 40oC bề dày VLS khác nhau 92

Hình 4.14 Đường tốc độ sấy nhiệt độ TNS 40oC bề dày VLS dày khác nhau 93

Hình 4.15 Chỉ số SMER (gw/kWh) nhiệt độ TNS 40oC bề dày VLS dày khác nhau 93

Hình 4.17 Đường tốc độ sấy nhiệt độ TNS 45oC bề dày VLS khác nhau 94

Hình 4.18.Chỉ số SMER (gw/kWh) nhiệt độ TNS 45oC bề dày VLS dày khác nhau 95

Hình 4.25 Đường cong sấy bơm nhiệt tầng sôi và sấy bơm nhiệt TNS 50oC 99

Trang 12

Hình 4.26 Đường tốc độ sấy bơm nhiệt tầng sôi và bơm nhiệt TNS 50oC 100

Hình 4.27 Chỉ số SMER sấy bơm nhiệt tầng sôi và bơm nhiệt TNS 50oC 100

Hình 4.28 Đường cong sấy bơm nhiệt tầng sôi và sấy bơm nhiệt TNS 52oC 101

Hình 4.29 Đường tốc độ sấy bơm nhiệt tầng sôi và bơm nhiệt TNS 52oC 101

Hình 4.30 Chỉ số SMER sấy bơm nhiệt tầng sôi và bơm nhiệt TNS 52oC 101

Trang 13

Bảng 1.1 Sản phẩm thương mại từ hoa Lavender 13

Bảng 2.1 Các mô hình tính toán xác định vận tốc sôi tối thiểu 20

Bảng 3.1 Kết quả thực nghiệm đo khối lượng hoa (g/200ml) 24

Bảng 3.2 Thống kê thực nghiệm xác định khối lượng riêng Lavender 24

Bảng 3.3 Kết quả tính toán lý thuyết tổn thất áp suất qua lớp hoa 27

Bảng 3.4 Thông số các điểm nút của quá trình sấy lý thuyết 32

Bảng 3.5 Thông số các điểm nút của quá trình sấy thực 37

Bảng 3.6 Thông số các điểm nút của chu trình bơm nhiệt 40

Bảng 3.7 Kết cấu ống cánh dàn lạnh 42

Bảng 3.8 Kết cấu ống cánh dàn ngưng tụ 50

Bảng 3.9 Thông số gió giải nhiệt dàn dàn ngưng tụ số 2 59

Bảng 3.10 Thông số kỹ thuật dàn lạnh 74

Bảng 3.11 Thông số kỹ thuật dàn ngưng 1 75

Bảng 3.12 Thông số kỹ thuật dàn ngưng 2 75

Bảng 3.13 Thông số kỹ thuật máy nén 76

Bảng 3.14 Thông số kỹ thuật thiết bị phụ 76

Bảng 3.15 Công suất tại chế độ không hồi lưu vận hành không tải 81

Bảng 3.16 So sánh các thông số thiết kế và thực nghiệm 82

Trang 14

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Trang 15

QTNS Nhiệt do tác nhân sấy mang đi (kW)

Trang 16

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về kỹ thuật sấy

1.1.1.Khái niệm quá trình sấy

Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng rất nhiều trong ngành công nông nghiệp [1] Quá trình sấy là quá trình chất lỏng hoặc hơi của nó mà chủ yếu là nước và hơi nước nhận được năng lượng để dịch chuyển từ trong lòng vật liệu sấy (VLS) ra bề mặt và đi vào tác nhân sấy (TNS) hay môi trường Quá trình sấy là quá trình truyền nhiệt, truyền chất xảy ra đồng thời Trong lòng VLS là quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm hỗn hợp Trao đổi nhiệt - ẩm giữa bề mặt VLS với TNS là quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm đối lưu liên hợp Quá trình bên trong VLS chủ yếu chịu ảnh hưởng của dạng liên kết ẩm với cốt khô của vật liệu, quá trình ở bề mặt VLS chủ yếu chịu ảnh hưởng của cơ cấu trao đổi nhiệt ẩm và các thông số của TNS cũng như VLS Sấy cũng là quá trình công nghệ, trong đó các tính chất công nghệ luôn luôn thay đổi Tính chất công nghệ của vật liệu gồm – tính chất hoá lý, tính chất cơ kết cấu, tính chất sinh hoá…

Quá trình sấy nhằm tăng cường một số đặc tính công nghệ để phục vụ nhiều mục đích khác nhau Khi sấy sản phẩm gốm thì nhằm mục đích làm độ bền của nó tăng lên để tiếp tục gia công; sấy hạt giống thì phải làm tỷ lệ và khả năng nảy mầm cao lên; sấy nông sản thực phẩm thì giữ được hương vị, màu sắc, nguyên tố vi lượng mà tăng được thời gian bảo quản, giảm được giá thành vận chuyển, giảm được thể tích kho bảo quản…

1.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy ❖ Nhiệt độ

Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy đầu tiên phải kể đến yếu tố nhiệt độ Tùy theo mỗi loại VLS sẽ cần một khoảng nhiệt độ sấy khác nhau, ví dụ Protein sẽ bị

fruetoza bắt đầu bị caremen hóa; Các phản ứng tạo ra melanoidin, polime hóa các hợp chất cao phân tử xảy ra mạnh Đối với thảo dược, nhiệt độ cao dẫn đến dược tính bị biến đổi, thậm chí có thể bị cháy Các loại dược liệu chứa dầu nên có nhiệt

Trang 17

độ sấy không quá 40oC Quá trình sấy còn phụ thuộc vào tốc độ tăng nhiệt của vật liệu sấy Nếu tốc độ tăng nhiệt quá nhanh thì bề mặt vật liệu bị rắn lại và ngăn quá trình thoát ẩm Ngược lại, nếu tốc độ tăng nhiệt chậm thì cường độ thoát ẩm yếu Sấy các loại hạt giống cần chọn nhiệt độ thấp, tốc độ sấy không lớn để bảo vệ mầm thóc Thóc thương phẩm cũng không được sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ lớn, vì như vậy sẽ làm gạo bị nát khi chế biến

Do đó, tùy theo tính chất của vật liệu sấy mà chúng ta lựa chọn mức độ nhiệt độ phù hợp để có thể sấy hiệu quả nhất mà ít làm biến đổi thuộc tính yêu cầu của vật liệu sấy

❖ Độ ẩm không khí

Muốn nâng cao khả năng hút ẩm của không khí cẩn phải giảm độ ẩm tương đối của không khí xuống, từ đó gia tăng tốc độ sấy khô VLS Muốn đạt được điều đó có các phương pháp:

- Tăng nhiệt độ không khí bằng cách dùng bộ gia nhiệt sử dụng nhiên liệu rắn, khí hoặc dùng điện

- Giảm độ ẩm tuyệt đối của không khí bằng cách dùng máy hút ẩm - Ứng dụng bơm nhiệt

❖ Lưu thông của không khí

Trong quá trình sấy, không khí có thể lưu thông tự nhiên hoặc cưỡng bức Trong các lò sấy, nếu không khí lưu thông tự nhiên với tốc độ nhỏ (nhỏ hơn 0.4 m/s) thì thời gian sấy thường kéo dài, làm chất lượng sản phẩm sấy không cao Để khắc phục nhược điểm này, người ta phải dùng quạt để thông gió cưỡng bức với tốc độ cao trong khoảng (2÷5 m/s) trong các thiết bị sấy Nếu tốc độ gió quá lớn (trên 5 m/s) sẽ gây ra tổn thất nhiệt lượng

❖ Độ dày vật liệu:

Độ dày của lớp VLS cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy Lớp nguyên liệu càng mỏng thì quá trình sấy càng nhanh và đồng đều, nhưng nếu quá mỏng sẽ làm giảm năng suất của lò sấy Ngược lại, nếu quá dày thì sẽ làm giảm sự thoát hơi nước trong VLS làm đọng sương trên bề mặt vật liệu Độ dày mỏng của phần tử VLS

Trang 18

cũng ảnh hưởng đến tốc độ sấy tương tự Nếu phân tử VLS quá nặng thì năng suất sấy sẽ giảm; tuy nhiên nếu phần tử VLS quá nhẹ có thể gây ra tình trạng VLS bị vụn, ảnh hưởng đến chất lượng VLS

Hình 1.1 Hệ thống sấy bơm nhiệt theo Neslihan Colak [26]

Sấy bơm nhiệt là công nghệ sấy sử dụng hệ thống bơm nhiệt để tách ẩm và gia nhiệt cho dòng tác nhân sấy, nhằm thực hiện quá trình sấy khô vật liệu Cơ chế tách ẩm của quá trình sấy được thực hiện nhờ chênh lệch phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy Trong máy sấy bơm nhiệt, động lực quá trình sấy được tạo ra bằng hai cơ chế:

 Thứ nhất: Giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bằng việc tách ẩm của dòng tác nhân sấy tại thiết bị bay hơi (dàn lạnh)

 Thứ hai: Tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy bằng cách sử dụng dòng tác nhân sấy sau khi được gia nhiệt tại thiết bị ngưng tụ (dàn nóng) để gia nhiệt cho vật liệu sấy Do đó, khi sấy bơm nhiệt thông thường không cần nhiệt độ sấy cao

Trang 19

Máy sấy bơm nhiệt có nhiều cách phân loại khác nhau như: theo vòng tuần hoàn, theo số cấp bơm nhiệt, theo tác nhân sấy…

 Theo vòng tuần hoàn: Máy sấy bơm nhiệt hồi lưu và không hồi lưu  Theo số cấp bơm nhiệt: Mấy sấy bơm nhiệt 1 cấp, nhiều cấp

Hệ thống sấy tầng sôi là một trong những thiết bị dùng để sấy các VLS rời có thể sôi được như các loại hạt, tim sen, cơm dừa, nụ hoa… Hệ thống này có thể gồm một hoặc nhiều tầng Nguyên lý hoạt động của nó được mô tả theo hình 1.2

Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý sấy tầng sôi

1 – Quạt; 2 – Buồng hòa trộn; 3 – Lớp vật liệu sấy; 4 – Buồng sấy; 5 – Cơ cấu nạp vật liệu; 6 – Buồng chứa sản phẩm; 7 – Xyclon

Tác nhân sấy từ buồng hoà trộn (2) được đưa vào dưới ghi buồng sấy Ghi sấy là một tấm thép có nhiều lỗ (hoặc lưới thép) có kích thước thích hợp để tác nhân sấy đi qua mà các VLS không bị rơi xuống

Vật liệu sấy được cơ cấu nạp liệu (5) đổ xuống bề mặt ghi, tác nhân sấy có nhiệt độ cao, độ ẩm tương đối thấp đi qua lớp vật liệu (3) trong buồng sấy (4) với tốc độ thích hợp, nâng các VLS lên và làm cho chúng xáo trộn bập bùng trong dòng

Trang 20

tác nhân như một dịch thể đang sôi Trên đường thải tác nhân sấy có bố trí xyclon (7) để thu hồi những hạt nhỏ nhẹ bay theo tác nhân Đặc trưng của hệ thống sấy tầng sôi là vật liệu sấy ở thể sôi trao đổi nhiệt ẩm với dòng tác nhân Khi tốc độ tác nhân bé, lớp VLS nằm yên

Như vậy hệ thống sấy tầng sôi là một hệ thống sấy đối lưu mà đặc trưng của nó là VLS ở thể sôi trao đổi nhiệt ẩm với dòng tác nhân sấy nhưng không bay theo tác nhân

1.4.1 Các nghiên cứu sấy bơm nhiệt ở trong nước

Vào năm 1999 Phạm Văn Tùy đã nghiên cứu về sấy bơm nhiệt khi công bố kết quả nghiên cứu “Hiệu quả sử dụng bơm nhiệt sấy lạnh ở công ty bánh kẹo Hải Hà (HAIHACO)”, kết quả nghiên cứu này đã được đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt, số 2, tháng 3/1999 [7] Bốn năm sau đó Nguyễn Xuân Thủy đã có bài viết “Nghiên cứu quy trình và thiết bị sấy sạch rau quản bằng bơm nhiệt, được đăng trên Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật, Viện cơ điện nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch, trang 10-35., 2003 [8] Cùng năm đó Phạm Văn Tuỳ, Vũ Huy Khuê, Nguyễn Khắc Tuyên cũng cho ra kết quả nghiên cứu của nhóm với tiêu đề “Nghiên cứu hút ẩm và sấy lạnh rau củ thực phẩm bằng bơm nhiệt máy nén”[9] Nguyễn Trung Kiên, Bùi Trung Thành đã nghiên cứu thực nghiệm sấy màng đỏ hạt gấc bằng phương pháp sấy bơm nhiệt vào năm 2017 Nghiên cứu đã xác định nhiệt độ sấy 44,16°C, nhiệt độ ngưng tụ hơi nước tại dàn lạnh 14,30°C và vận tốc tác nhân sấy 2,6 m/s là các thông số tối ưu cho quá trình sấy, các thí nghiệm được bố trí theo quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 và được tối ưu hóa đa mục tiêu theo phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) [10]

Trong 2 năm 2017-2018 đề tài nghiên cứu cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị chế biến tiêu xanh, tiêu đỏ và tiêu trắng ứng dụng công nghệ enzyme’’ được thực hiện tại Viện KHKT Nông Lâm nghiệp Tây Nguyên (WASI) Kết quả nghiên cứu đã xác định được chế độ sấy khi sử dụng máy sấy bơm nhiệt là

Trang 21

nhiệt độ sấy 30oC, ẩm độ không khí 40%, tốc độ gió 3m/s, thời gian sấy khoảng 40h thì cho sản phẩm hạt tiêu xanh có chất lượng tốt nhất [11]

Năm 2018 Nguyễn Thành Luân, Nguyễn Thế Bảo đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm sử dụng ống nhiệt trọng trường trên máy sấy bơm nhiệt Các tác giả đã thiết kế, chế tạo và thực nghiệm mô hình máy sấy bơm nhiệt công suất 1HP trong các trường hợp: không sử dụng ống nhiệt, sử dụng 10 ống nhiệt trọng trường và sử dụng 20 ống nhiệt trọng trường Kết quả cho thấy mức tiêu hao năng lượng của máy sấy bơm nhiệt khi kết hợp ống nhiệt trọng trường lần lượt giảm 18,6% và 6,2% so với khi không sử dụng ống nhiệt trọng trường [12]

Gần đây nhất năm 2020 nghiên cứu thiết kế chế tạo và thực nghiệm sấy nấm mộc nhĩ và nấm bào ngư bằng máy sấy bơm nhiệt đã được Lê Anh Đức, Bùi Mạnh Tuân thực hiện Kết quả khảo nghiệm đã nhận thấy rằng nhiệt độ sấy tối ưu cho

Như vậy việc nghiên cứu ứng dụng, đánh giá hiệu quả của máy sấy bơm nhiệt đã được thực hiện từ cách đây hơn 23 năm cho đến hiện nay tại Việt Nam

1.4.2 Các nghiên cứu sấy tầng sôi ở trong nước

Liên quan đến xác định các thông số sấy tầng sôi Bùi Trung Thành, Nguyễn Hay trong năm 2009 đã nghiên cứu thực nghiệm xác định tổn thất áp của tác nhân sấy khi qua lớp hạt muối tinh trong quá trình sấy bằng máy sấy tầng sôi liên tục Kết quả nghiên cứu đưa ra được các yếu tố ảnh hưởng đến tổn thất áp qua lớp hạt bao gồm: kích thước hạt, nếu hạt có nhiều tạp chất mịn tổn thất áp tăng, độ rỗng của khối hạt, độ nhớt động lực học của tác nhân sấy ở độ sôi tối thiểu [14]

Vào năm 2018 Lê Hồng Long, Phạm Quang Phú, Bùi Trung Thành đã nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng của miền nhiệt độ tác nhân sấy đến quá trình sấy đường RS trên máy sấy tầng sôi liên tục cấp khí kiểu xung Nghiên cứu được thực hiện theo quy hoạch thực nghiệm đơn yếu tố để xác định miền ảnh hưởng của

(%), chi phí điện năng riêng (Wh/kg sản phẩm) và chi phí nhiệt năng riêng (kJ/kg sản phẩm) Thực nghiệm sấy được thực hiện trên mô hình có năng suất 20kg/giờ,

Trang 22

miền nhiệt độ tác nhân sấy được xác định từ 70oC ÷ 80oC, trên cơ sở cố định chiều

theo tiêu chuẩn TCVN 6958 – 2001, với độ ẩm sản phẩm đạt 0,05 ÷ 0,06%, tiêu hao nhiệt lượng riêng trong phạm vi1008 ÷ 1116 kJ/kg sản phẩm; tiêu hao điện năng riêng trong phạm vi 193 ÷ 211Wh/kg sản phẩm và tỷ lệ thu hồi sản phẩm chính phẩm đạt 87 ÷ 88% [15]

Gần đây nhất vào năm 2021 tác giả Phan Thành Nhân và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm xác định chế độ sôi của hạt tiêu trong quá trình sấy tầng sôi Nghiên cứu đã tiến hành thực nghiệm nhằm xác định vận tốc sôi tối thiểu, chiều cao lớp hạt sôi và tổn thất áp suất của dòng khí qua lớp hạt phụ thuộc vào bề dày lớp hạt và ẩm độ hạt Vật liệu sấy sử dụng trong thực nghiệm là hạt tiêu tươi và hạt tiêu khô có ẩm độ tương ứng là 54,2% ẩm và 12% ẩm Các thí nghiệm được thực hiện với bề dày lớp hạt thay đổi từ 4 - 44 mm và vận tốc tác nhân sấy thay đổi từ 5 - 11 m/s Kết quả phân tích từ thực nghiệm đã xác định được vận tốc dòng không khí tối thiểu để lớp vật liệu sôi trong phạm vi từ 5,2 m/s đến 6,5 m/s Tổn thất áp suất qua lớp hạt của hạt tiêu tươi là 225 Pa còn với hạt tiêu khô là 147 Pa ứng với vị trí bề dày lớp hạt là 37mm Kết quả thực nghiệm và tính toán từ các mô hình và các phương trình là phù hợp với mô hình chuẩn Fedorow, Baeyens- Geldart Dựa trên kết quả thực nghiệm xác định trở lực qua lớp hạt phụ thuộc vào bề dày của lớp hạt cho hạt tiêu tươi và hạt tiêu khô, các phương trình hàm số tuyến tính bậc 1 được thiết lập với độ tin cậy cao [16]

Trong luận văn Thạc sĩ của mình tác giả Trần Đình Anh Tuấn cũng đã trình bày kết quả nghiên cứu xác định – đường kính trung bình, tốc độ tới hạn, các tiêu chuẩn đặc trưng cho chế độ sôi, trở lực của lớp hạt đối với 4 loại nông sản là Cà phê, Tiêu, đậu Hòa Lan và đậu Đỏ Đồng thời khảo sát quá trình giảm ẩm và viết chương trình tính toán quá trình sấy tầng sôi bằng ngôn ngữ MS Access Nghiên cứu trên được tác giả hoàn thành vào năm 2007 [40]

Trang 23

1.4.3 Các nghiên cứu trong nước về sấy bơm nhiệt kết hợp với hệ thống sấy khác

Nghiên cứu thiết kế, chế tạo và khảo nghiệm mô hình sấy bơm nhiệt kiểu thùng quay sấy cà rốt đã được các tác giả Võ Mạnh Duy, Lê Chí Hiệp thực hiện vào

vận tốc TNS 2,5 m/s, số vòng quay 15 vòng/phút, khối lượng sấy ban đầu 4,5 kg hệ thống sấy đạt hiệu suất tách ẩm cao, làm việc ổn định và hiệu quả hơn; sản phẩm sấy giữ được màu sắc tốt hơn so với các phương pháp sấy thông thường [17]

Năm 2014 Lê Như Chính và cộng sự đã tiến hành chế tạo máy sấy bơm nhiệt lớp sôi (tầng sôi) kết hợp bức xạ hồng ngoại sấy lá hẹ năng suất 8kg/mẻ, bơm nhiệt sử dụng môi chất lạnh R22 Nghiên cứu xác định được chế độ sấy tối ưu như sau:

dày lớp VLS 5cm, thời gian sấy là 6 giờ [18]

Năm 2015 PGS TS Nguyễn Hay, PGS TS Lê Anh Đức, ThS Nguyễn Văn Lành, TS Bùi Ngọc Hùng đã công bố “Nghiên cứu sấy cá sặc rằn theo nguyên lý sấy bơm nhiệt và sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng” Các tác giả đã thực hiện các thí nghiệm sấy cá sặc rằn bằng thiết bị sấy theo nguyên lý sấy bơm nhiệt và sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng Với mỗi nguyên lý sấy, thí nghiệm được thực hiện ở ba mức

kỹ thuật của quá trình sấy như thời gian sấy hay tốc độ giảm ẩm, chi phí điện năng riêng cho quá trình sấy và chất lượng của cá sau khi sấy, kết quả đã xác

năng riêng cho quá trình sấy là 4,65 kWh/kg Kết quả phân tích hóa sinh cho thấy hàm lượng đạm của cá sau khi sấy đạt 5,61% Cá sặc rằn sau khi sấy có chất lượng tốt hơn các phương pháp phơi sấy hiện nay về màu sắc, mùi vị, ẩm độ, đảm bảo yêu cầu tiêu thụ trong nước và xuất khẩu Phương trình dự đoán quá trình giảm ẩm của cá sặc W (%) theo thời gian sấy t (h) với chế độ phù hợp đã được xác định dưới

Trang 24

Năm 2017 Đinh Văn Nhượng đã nghiên cứu sấy thóc giống bắc thơm bằng máy sấy bơm nhiệt kết hợp thùng quay Kết quả nghiên cứu đã xác định được chế

vòng/phút [20]

Vào năm 2021 Nguyễn Minh Hạ, Hà Anh Tùng đã nghiên cứu và tìm ra được chế độ sấy tối ưu của chanh khi sấy bằng bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại là các lát

giả Lê Như Chính và cộng sự đã thực hiện nghiên cứu chế tạo máy sấy bằng bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại để sấy nông sản và thủy sản, kết quả nghiên cứu đã chế tạo máy sấy bằng bơm nhiệt kết hợp với bức xạ hồng ngoại năng suất 5 kg/mẻ Kết quả nghiên cứu thực nghiệm sấy tôm thẻ và lát bơ với thời gian sấy khoảng 2,73 giờ cho chất lượng tốt nhất và năng suất sấy cao nhất [21]

1.4.4 Các nghiên cứu ngoài nước về sấy bơm nhiệt kết hợp với các hệ thống sấy khác

Việc cải tiến, nâng cao hiệu quả máy sấy bơm nhiệt, máy sấy tầng sôi bằng cách kết hợp các hệ thống sấy với nhau đã được thực hiện với nhiều nghiên cứu được công bố trên thế giới

Như kết quả nghiên cứu của nhóm tác giả Zukun Zhang năm 2004 đã trình bày một hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp với tầng sôi với tác nhân lạnh R22, thực nghiệm các thí nghiệm trên sản phẩm cà rốt Với kết quả đạt được tối đa của hệ

với mục tiêu nghiên cứu là xác định sự ảnh hưởng của quá trình truyền nhiệt và truyền khối trong quá trình sấy [25] Nhóm tác giả Neslihan Colak cũng đã trình bày bài tổng quan về sấy bơm nhiệt, các ứng dụng và sự kết hợp sấy bơm nhiệt với các loại sấy khác vào năm 2009 [26]

Trang 25

Những năm gần đây, các hệ thống sấy tầng sôi kết hợp với các phương pháp sấy khác được nghiên cứu khá nhiều và rộng rãi, như năm 2016, hai hệ thống sấy, hệ thống sấy tầng sôi kết hợp với năng lượng mặt trời và đốt nhiên liệu biomass cũng như là hệ thống sấy bơm nhiệt tầng sôi kết hợp đốt nhiên liệu biomass đã được tác giả M Yahya công bố, tác giả đã thực nghiệm trên sản phẩm sấy lúa gạo Tác giả kết luận với hệ thống sấy bơm nhiệt tầng sôi kết hợp đốt biomass đạt hiệu quả sấy cao hơn so với hệ thống còn lại [27] Cùng năm đó, hệ thống sấy bơm nhiệt tầng sôi kết hợp với năng lượng mặt trời cũng đã được nhóm nghiên cứu của Ilhan Ceylan công bố với sản phẩm lá bạc hà được sử dụng để làm thực nghiệm [28]

Vào năm 2017, nhóm tác giả Jeoju M Issac, Gokul G Nair cũng tiến hành nghiên cứu thực nghiệm hệ thống sấy bơm nhiệt có hỗ trợ của tầng sôi ở phạm vi nhiệt độ sấy từ 50oC đến 60oC và kết luận nhiệt độ sấy tăng thì thời gian sấy sẽ giảm [29] Cùng chủ đề sấy bơm nhiệt có sự hỗ trợ của tầng sôi, nhóm tác giả Stanislaw P.Rudobachta đã công bố nghiên cứu vào năm 2019 cho sản phẩm sấy bắp ở chế độ 60oC với tác nhân lạnh được sử dụng là R600a (isobutane), kết quả của nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng với hệ thống sấy này cho phép tiết kiệm tới 66% năng lượng sử dụng cho quá trình sấy bắp [30]

1.5.1 Giới thiệu về hoa Lavender

Hoa Lavender hay còn gọi là hoa oải hương tên khoa học là Lavandula angustifolia, tên tiếng Anh có thể là English lavender, common lavender, true lavender, narrow-leaved lavende) là một loại cây thuộc chi Oải

hương (Lavandula), họ Hoa môi (Lamiaceae) Cây oải hương là loại cây bụi thường niên có mùi thơm nồng, được tìm thấy đầu tiên ở vùng Cape Verde (Châu Phi) và quần đảo Canary (Tây Ban Nha) Sau đó Lavender được đưa đến phía bắc Châu Âu, phía đông châu Phi, vùng Địa Trung Hải, phía tây nam châu Á và sang Đông Nam của Ấn Độ Oải hương được gói trong những túi thơm để chống những con nhậy (cắn quần áo) và tạo nên mùi thơm cho căn phòng, quần áo Nó từng được dùng để sát trùng vết thương trong thời chiến Tinh dầu oải hương giúp thả lỏng cơ thể, thư

Trang 26

thái nên tinh dầu oải hương cũng rất thích hợp dùng khi tắm Oải hương cũng được dùng làm thuốc an thần, làm trà chữa trị bệnh đau đầu, suy nhược, cảm nắng, làm đẹp da, dưỡng da Ngày nay nụ hoa oải hương khô là một trong những nguyên liệu

cây phổ biến trong vườn cảnh [41]

Hình 1.3 Hoa Lavender

1.5.2 Giới thiệu về phương pháp sấy hoa Lavender

Lavender ngoài sử dụng để trang trí ở dạng tươi hoa còn được dùng làm túi thơm, trà hoặc bảo quản phục vụ cho công nghệ chế biến khác ở dạng sấy khô Hiện tại ở Việt Nam Lavender tươi đang được sử dụng trong khoảng thời gian gần đây còn hoa lavender khô cũng đang dần phổ biến với nguồn hàng đa số từ Trung Quốc ở dạng túi thơm, trà, bó hoa khô Việc làm khô ở Việt Nam chủ yếu là để khô tự nhiên, và tùy điều kiện thời tiết ở vùng miền mà cho ra chất lượng hoa khô cũng khác nhau và chưa có nghiên cứu nào được công bố về thực nghiệm sấy khô hoa Lavender bằng máy sấy

Đầu năm 2019 Jacek Łyczko và cộng sự đã công bố kết quả nghiên cứu sấy

sấy khô được thực hiện trên hoa oải hương thật được trồng ở Ba Lan (Công ty Kawon-Hurt NowakSp.j., Gosty´n, Ba Lan) Độ ẩm ban đầu của vật liệu là 2,7 kg trên mỗi kg trọng lượng khô Quá trình sấy khô đã dừng lại sau khi không quan sát thấy sự thay đổi nào nữa về trọng lượng Độ ẩm của các mẫu được xác định bằng máy sấy chân không (SPT-200 ZEAMIL Horyzont, Krakow, Ba Lan) Bằng

Trang 27

sấy vi sóng chân không thì cho được tổng lượng tinh dầu cao nhất [31] Và cũng trong năm này vào tháng 8 Jacek Łyczko và cộng sự tiếp tục công bố kết quả nghiên cứu ở mức nhiệt độ TNS 50oC là tối ưu khi sấy bằng máy sấy đối lưu để thu hồi

Qua nghiên cứu tổng quan về sấy bơm nhiệt, bơm nhiệt kết hợp với hệ thống sấy khác ta nhận thấy rằng phương pháp sấy này đã xuất hiện từ lâu với nhiều nghiên cứu ứng dụng cao Trên thị trường các thiết bị sấy loại này đã được chế tạo với nhiều mẫu mã và đạt chất lượng khá tốt Hiện tại đã có một vài nghiên cứu về sấy bơm nhiệt tầng sôi tại Việt Nam, tuy nhiên chưa có nghiên cứu thiết kế chế tạo máy sấy bơm nhiệt tầng sôi với bơm nhiệt sử dụng môi chất R134a, vật liệu sấy là hoa Lavender Đối với phương pháp sấy bơm nhiệt, sấy ở chế độ nhiệt độ từ nhiệt

nhiệt, sản phẩm sấy có thể duy trì được màu sắc, mùi vị cũng như sự thay đổi của hàm lượng dinh dưỡng trong sản phẩm không đáng kể so với sản phẩm tươi Việc kết hợp sấy bơm nhiệt và tầng sôi sẽ thúc đẩy quá trình sấy diễn ra nhanh hơn, thời gian sấy cho sản phẩm dự kiến sẽ giảm so với sấy bơm nhiệt truyền thống, từ đó năng lượng tiêu tốn cho quá trình sấy khô sản phẩm sẽ được giảm đi đáng kể, đây chính là mục tiêu chính của đề tài, bên cạnh việc duy trì màu sắc mùi vị của sản phẩm sau khi sấy

Hoa Lavender đang được trồng tại Đà Lạt, Sapa và có khả năng trồng phổ biến tại khu vực có khí hậu mát mẻ tại Việt Nam đồng thời nụ hoa sấy khô cũng được sử dụng trong khoảng thời gian gần đây Các dòng sản phẩm thương mại bao gồm – túi thơm, trà, tinh dầu, xà bông tắm đã được bán buôn trên thị trường Tuy nhiên hiện nay hoa Lavender chủ yếu là để khô tự nhiên mà điều này thì lại phụ thuộc vào thời tiết và chưa thấy một nghiên cứu nào về sấy hoa Lavender tại Việt Nam Cấu tạo của nụ hoa Lavender rất phù hợp cho việc sấy ở chế độ bơm nhiệt tầng sôi Nghiên cứu sấy hoa lavender bằng máy sấy bơm nhiệt tầng sôi sẽ mang đến một giải pháp mới trong công nghệ bảo quản, chế biến sau thu hoạch đối với loại sản phẩm còn mới mẻ và nhiều tiềm năng này

Trang 28

Bảng 1.1 Sản phẩm thương mại từ hoa Lavender

Nghiên cứu, làm rõ cơ sở lý luận việc kết hợp sấy bơm nhiệt và tầng sôi Xây dựng phần mềm tính toán, thiết kế chế tạo mô hình máy sấy bơm nhiệt tầng sôi Nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh hưởng nhiệt độ TNS, bề dày VLS đến quá trình sấy

Đối tượng nghiên cứu là máy sấy bơm nhiệt tầng sôi

Vật liệu sấy là hoa Lavender được trồng tại Pibo Lavender Farm Đà Lạt, Việt Nam

Trang 29

Giới hạn

Đề tài này được thực hiện trên đối tượng nghiên cứu là máy sấy bơm nhiệt năng suất 2kg/mẻ, sử dụng hệ thống máy lạnh có máy nén hơi môi chất R134a, máy sấy được thiết kế, chế tạo tại Việt Nam Vật liệu sấy là hoa Lavender Costa được trồng tại Pibo Lavender Farm Đà Lạt Đà Lạt, Lâm Đồng, Việt Nam

Nghiên cứu này được thực hiện tại thành phố Hồ Chí Minh từ tháng 06 năm 2022 đến tháng 5 năm 2023

Nghiên cứu lý thuyết: thông qua quá trình tìm hiểu, thu thập tài liệu sách, các bài báo khoa học trong và ngoài nước từ đó làm cơ sở trong quá trình nghiên cứu lý thuyết sấy bơm nhiệt, sấy tầng sôi

Nghiên cứu thực nghiệm:

Vận dụng lý thuyết sấy bơm nhiệt, sấy tầng sôi để tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình máy sấy bơm nhiệt tầng sôi và khảo nghiệm xác định công suất lạnh, công suất nhiệt của máy sấy Sau đó tiến hành thực nghiệm sấy sản phẩm thực trong máy sấy bơm nhiệt tầng sôi với thông số thay đổi đầu vào là nhiệt độ, bề dày VLS và thông số đầu ra là các giá trị về thời gian sấy và năng lượng tiêu thụ

Các số liệu bao gồm nhiệt độ, ẩm độ, tốc độ gió của tác nhân sấy, ẩm độ đầu và cuối của sản phẩm sấy, thời gian sấy, điện năng tiêu thụ sẽ được đo đạc và xử lý cho từng thí nghiệm để đưa ra kết quả có độ tin cậy cao

Dụng cụ đo đạc sử dụng trong quá trình thí nghiệm bao gồm dụng cụ đo nhiệt độ, tổn thất áp suất đầu vào và đầu ra của lớp vật liệu sấy, tốc độ gió, máy phân tích ẩm độ của vật liệu sấy, máy đo điện năng tiêu thụ

Xử lý số liệu thí nghiệm

Phân tích số liệu thực nghiệm bằng Excel, Minitab và viết báo cáo thuyết minh dữ liệu kết quả

Trang 30

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1.1 Tác nhân sấy

Tác nhân sấy là những chất dùng để gia nhiệt cho vật liệu sấy và vận chuyển lượng ẩm tách ra từ vật liệu sấy Không khí ẩm là một hỗn hợp của không khí khô

chọn là tác nhân sấy Việc chọn không khí ẩm làm tác nhân sấy với các ưu điểm là có sẵn trong tự nhiên, rẻ tiền, dễ tìm, không gây độc hại và không gây bẩn cho vật liệu sấy

Không khí ẩm chưa bão hòa là không khí ẩm vẫn còn khả năng tiếp nhận hơi nước Không khí ẩm bão hòa là không khí ẩm mà ta không thể thêm vào bất kỳ một lượng hơi nước nào Không khí ẩm quá bão hòa

2.1.2 Các thông số đặc trưng của không khí ẩm Độ ẩm tuyệt đối

Trong kỹ thuật điều tiết không khí và kỹ thuật sấy, đơn thuần chỉ biết độ ẩm

tuyệt đối thì chưa đủ vì nó chưa nói lên được chất lượng của không khí ẩm Độ ẩm tương đối

Độ ẩm tương đối của không khí ẩm là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối ρ và độ ẩm

Độ ẩm tương đối là một thông số quan trọng của không khí ẩm, đặc trưng cho khả năng nhận thêm hơi nước hay nói cách khác là khả năng sấy của không khí ẩm Độ ẩm tương đối càng bé thì khả năng sấy của không khí càng lớn

Độ chứa hơi (dung ẩm)

Trang 31

Độ chứa hơi biểu thị số lượng hơi nước có chứa trong không khí ẩm tính trên 1 kg không khí khô

Entanpi (enthalpy) của không khí ẩm

I: Entanpi của không khí ẩm, kJ/kg không khí khô

khí khô

ẩm đang khảo sát, kJ/kg hơi nước

Vì lý do tiện lợi người ta thường tính entanpi của không khí ẩm theo 1 kg không khí

viết được

2.2.1 Về phía tác nhân sấy

Trường hợp sấy không hồi lưu: Dòng tác nhân sấy từ môi trường bên ngoài sẽ đi qua dàn lạnh (DL) thực hiện quá trình tách ẩm, sau đó dòng tác nhân sấy đi vào dàn ngưng 1 (DN-1) được gia nhiệt đến nhiệt độ yêu cầu rồi đưa vào buồng sấy (BS) Tại buồng sấy, dòng tác nhân sấy sẽ thực hiện quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy và sau đó TNS sẽ được thải hoàn toàn ra môi trường, quá trình cứ như vậy tiếp diễn

Trường hợp sấy hồi lưu hoàn toàn: Dòng tác nhân sấy sau khi ra khỏi buồng sấy (BS) trạng thái (3) sẽ đi qua dàn lạnh (DL) thực hiện quá trình tách ẩm đạt trạng thái (1) Sau đó dòng tác nhân sấy đi vào dàn ngưng 1 (DN-1) được gia nhiệt đến

Trang 32

nhiệt độ yêu cầu trạng thái (2) rồi đưa vào buồng sấy (BS) Tại buồng sấy, dòng tác nhân sấy sẽ thực hiện quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu sấy và quá trình cứ như vậy tiếp diễn

Sơ đồ nguyên lý sấy bơm nhiệt tại hình 2.1 thể hiện bơm nhiệt này có khả năng sấy không hồi lưu, hồi lưu hoàn toàn hoặc hồi lưu một phần bằng cách điều chỉnh đóng hoặc mở các VCD

Trong máy sấy bơm nhiệt, dòng chuyển động của tác nhân sấy bên trong buồng sấy là một nhân tố quan trọng để đảm bảo sự đồng đều khi sấy, khi không đồng nhất tốc độ chuyển động dẫn đến sản phẩm khô không đồng đều Do đó các khay và các kênh trong buồng sấy cần thiết kế cẩn thận và hợp lý Hiệu quả của máy sấy bơm nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như:

• Nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ của tác nhân sấy

• Hàm lượng ẩm, thuộc tính truyền nhiệt, truyền chất, nhiệt vật lý của sản phẩm sấy • Nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ và hiệu quả của chu trình bơm nhiệt

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý sấy bơm nhiệt

DN-1: dàn ngưng 1, DL: dàn lạnh, DN-2: dàn ngưng 2, MN: Máy nén, TL: tiết lưu, HN: bộ hồi nhiệt, VCD: van điều chỉnh TNS

Các quá trình thể hiện trên đồ thị I-d cho trường hợp hồi lưu hoàn toàn như sau: 1-2: Quá trình gia nhiệt tác nhân sấy thực hiện tại dàn ngưng 1

2-3: Quá trình sấy lý thuyết thực hiện tại buồng sấy

3-4: Quá trình làm lạnh tác nhân sấy đến nhiệt độ đọng sương tại dàn lạnh 4-1: Quá trình tách ẩm tại dàn lạnh

Trang 33

2.2.2 Về phía chu trình bơm nhiệt

Hệ thống bơm nhiệt làm việc theo chu trình Carnot ngược với các quá trình chính được biểu diễn trên đồ thị p – h như sau: Hơi môi chất lạnh sau khi ra khỏi dàn bay hơi (xem như là hơi bão hòa khô) ở điểm 7 sau đó đi vào thiết bị hồi nhiệt, khi ra khỏi thiết bị hồi nhiệt thì có trạng thái là hơi quá nhiệt ở điểm 1 áp suất p0

khi ra khỏi máy nén hơi đi vào dàn ngưng tụ, ở đây hơi ngưng tụ ở áp suất không

(quá trình 2 – 4) Sau khi ra khỏi dàn ngưng, môi chất lạnh lỏng đi qua thiết bị hồi nhiệt và được quá lạnh lỏng xuống trạng thái 5, kế đến môi chất lạnh đi vào van tiết lưu, áp suất giảm từ pk xuống p0, nhiệt độ cũng giảm từ tk xuống t0 Chất lỏng ra khỏi van tiết lưu ở điểm 6 là hơi bão hòa ẩm (quá trình 5 – 6) Trong quá trình tiết lưu giá trị entanpi không đổi i6= i5

Hơi bão hòa ẩm đi vào dàn bay hơi, nhận nhiệt từ nguồn nóng, đẳng áp, chuyển thành hơi bão hòa khô, tiếp tục được hút vào máy nén, quá trình được tuần hoàn

Hình 2.2 Chu trình bơm nhiệt

Trang 34

2.3 Lý thuyết sấy tầng sôi

Đặc trưng của hệ thống sấy tầng sôi là vật liệu sấy ở thể sôi trao đổi nhiệt ẩm với dòng tác nhân Khi tốc độ tác nhân bé, lớp hạt nằm yên Đó là hệ thống sấy đối lưu bình thường Nếu tốc độ tác nhân sấy đạt đến một giá trị tới hạn nào đó thì lớp hạt trên ghi sẽ ở chế độ sôi Khi đó chúng ta có chế độ sấy tầng sôi Nếu áp lực dòng tác nhân sấy lớn và cuốn toàn bộ lớp hạt trên ghi bay theo, thì lúc này chúng ta có hệ thống sấy khí động [1]

Hình 2.3 Quan hệ ∆p = f(v) của dòng TNS qua lớp hạt

Nghiên cứu thực nghiệm trở lực của dòng tác nhân sấy đi qua lớp hạt cho thấy, trong chế độ sấy đối lưu bình thường với một chiều cao lớp hạt không đổi nếu tốc độ tác nhân sấy tăng thì trở lực qua lớp hạt cũng tăng và gần như tuyến tính (đoạn OB) [1]

động và chiều cao lớp hạt tăng dần và chế độ sôi bắt đầu Với chế độ sôi ổn định, tốc độ của dòng tác nhân sấy chưa đủ cuốn hạt theo nhưng đủ duy trì chế độ sôi ở một bộ phận phía trên lớp hạt Lớp phía dưới nằm trên ghi vẫn ở chế độ tĩnh Vì vậy, tính toán chiều cao lớp sôi và chiều cao lớp tĩnh là một trong những đặc trưng khi tính toán hệ thống sấy tầng sôi Đối với từng loại hạt, trong một khoảng tốc độ nhất định chiều cao lớp tĩnh cũng như chiều cao lớp sôi là không đổi nên trở lực của dòng tác nhân sấy trong khoảng tốc độ đó cũng không đổi (đoạn BC)

Nếu tốc độ tác nhân sấy tiếp tục tăng và vượt quá giá trị tới hạn trên vth2

(tương ứng điểm C) thì chế độ sôi chấm dứt và trong khối hạt hình thành các túi khí Trong giai đoạn này trở lực của lớp hạt bắt đầu giảm dần Và khí đó chế độ sấy khí động bắt đầu Tốc độ th2 còn gọi là tốc độ phụt hay tốc độ lơ lửng Do đó, tính tốc

Trang 35

phục ở chế độ đó là đặc thù thứ 2 khi tính toán nhiệt của hệ thống sấy tầng sôi Rõ ràng, tốc độ sấy tối ưu phải thoã mãn điều kiện

Ở điều kiện lớp hạt sôi ổn định, trở lực của tác nhân sấy đi qua lớp hạt sẽ cân bằng với trọng lượng của lớp hạt, do đó ta có:

Xác định vận tốc sôi (tốc độ làm việc tối ưu):

Dựa trên tiêu chuẩn đồng dạng không thứ nguyên Fedorov để xác định tiêu chuẩn đồng dạng Reynold và từ đó xác định được vận tốc sôi (tốc độ làm việc tối

Tiêu chuẩn đồng dạng Fedorov

Bảng 2.1 Các mô hình tính toán xác định vận tốc sôi tối thiểu

dụng Kozeny-Carman

Trang 36

2.4 Lý thuyết sấy bơm nhiệt tầng sôi

Từ hai hệ thống sấy bơm nhiệt và sấy tầng sôi riêng lẻ, tác giả đã đưa ra đề xuất về một hệ thống kết hợp bơm nhiệt – tầng sôi

2.4.1 Cấu tạo máy sấy bơm nhiệt tầng sôi

Hệ thống sấy bơm nhiệt – tầng sôi về cơ bản cũng giống như hệ thống sấy bơm nhiệt cũng sử dụng không khí ẩm gồm 2 chu trình riêng biệt kết nối trao đổi nhiệt với nhau:

- Chu trình sấy bằng không khí ẩm

- Chu trình hệ thống máy bơm nhiệt (hệ thống máy lạnh)

Sự khác biệt giữa hai hệ thống là hệ thống bơm nhiệt – tầng sôi là có thêm buồng sấy đứng để sấy tầng sôi Về mặt cấu tạo hệ thống máy sấy bơm nhiệt – tầng sôi xét cho từng chu trình gồm các thiết bị chính sau:

Quá trình sấy bằng không khí ẩm gồm có các thành phần chính: Buồng sấy tầng sôi, quạt thổi TNS (không khí ẩm), ống gió vận chuyển TNS, khung - vỏ máy sấy

Chu trình hệ thống máy bơm nhiệt (hệ thống máy lạnh) gồm có các thành phần chính: Máy nén, dàn lạnh, dàn ngưng 1 và 2, van tiết lưu, phin lọc, ống dẫn môi chất lạnh, bình chứa lỏng, các van chặn, tủ điện điều khiển

Trang 37

Hình 2.4 Sơ đồ máy sấy bơm nhiệt tầng sôi

Chế độ hồi lưu hoàn toàn VCD-2 mở VCD-1, 3 đóng Chế độ hồi lưu một phần VCD-1, 3 mở (độ mở tùy thuộc vào lưu lượng TNS hồi lưu), VCD-2 mở hoàn toàn Chế độ không hồi lưu VCD-1,3 mở hoàn toàn, VCD-2 đóng Khi bơm nhiệt hoạt động van V_1, 2, 3 mở hoàn toàn Van V_1 được sử dụng để điều chỉnh môi chất lạnh vào dàn ngưng 2 nhằm mục đích điều chỉnh nhiệt độ TNS vào buồng sấy, khi TNS cần tăng nhiệt độ thì đóng dần van lại Nhiệt độ TNS vào buồng sấy có thể

Trang 38

CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY BƠM NHIỆT TẦNG SÔI 3.1.Thực nghiệm xác định thông số thiết kế tầng sôi

Mô hình sấy bơm nhiệt – tầng sôi bao gồm hai hệ thống kết hợp bơm nhiệt và tầng sôi Không khí ẩm từ môi trường đi qua hệ thống bơm nhiệt bao gôm dàn lạnh có tác dụng tách ẩm và dàn nóng có tác dụng gia nhiệt đến nhiệt độ sấy yêu cầu, sau đó được đưa vào buồng sấy tầng sôi Để quá trình sấy tầng sôi đạt hiệu quả như mong muốn, trước khi thiết kế cần phải xác định các thông số tầng sôi qua lớp vật liệu như tốc độ gió tối thiểu, tổn thất áp suất và độ phân phối gió đồng đều trong hệ thống Vì lý do đó, trước khi thiết kế, đã tiến hành xây dựng mô hình thí nghiệm sơ bộ và thực nghiệm để xác định các thông số

3.1.1.Xác định khối lượng riêng của hoa Phương pháp xác định khối lượng riêng của hạt

Chỉ tiêu quan sát: xác định khối lượng hoa trên một đơn vị thể tích a Vật liệu thí nghiệm

Vật liệu sấy là hoa Lavender tươi được trồng và thu hái tại Đà Lạt, Lâm Đồng

Hình 3.1 Hoa Lavender tươi dùng cho thực nghiệm

Trang 39

b Dụng cụ đo và phương pháp thực hiện:

Dụng cụ đó bao gồm: cân và cốc đong Thông số và hình ảnh dụng cụ được thể hiện rõ tại phụ lục 7

Phương pháp: dùng phương pháp thể tích với dụng cụ là một ống đong có dung tích 200ml có vạch chia đều trên thân ống là 25ml và cân khối lượng

Nguyên tắc lấy mẫu: nụ hoa được cắt rời từ bó hoa khoảng 100 cành hoa và chứa trong khay sau đó trộn đều với các bông hoa bị rụng của bó hoa lại với nhau, dùng muỗng múc hoa cho vào ống đong, cứ mỗi 25ml ta lại lắc đều cho hoa được nén chặt lại, cứ như vậy đến khi lớp hoa chạm vào vạch 200ml thì ta dừng thêm hoa vào và đem cân khối lượng.Thực nghiệm được thực hiện trên 40 bó hoa tương đương với lượng hoa được dùng làm thí nghiệm, tổng cộng ta được số liệu (g/200ml) như sau:

Bảng 3.1 Kết quả thực nghiệm đo khối lượng hoa (g/200ml)

Bảng 3.2 Thống kê thực nghiệm xác định khối lượng riêng Lavender

Trang 40

Từ đây ta xác định được khối lượng riêng của hoa là 34,58 g/200ml hay 172,9

Theo dữ liệu của Christos I Dimitriadis và cộng sự với bài báo có tiêu đề “Physical and Aerodynamic Properties of Lavender in relation to Harvest

đề cập đến phương pháp xác định khối lượng riêng cũng như nguồn trích dẫn Kết quả thực nghiệm trên so với thông số trong bài báo có sự sai khác là 18% Trong phạm vi của luận văn này tạm thời dùng giá trị từ thực nghiệm để tính toán lý thuyết tổn thất áp suất qua lớp hoa

3.1.2.Xác định vận tốc sôi tối thiểu và trở lực qua lớp VLS a Vật liệu thí nghiệm

Vật liệu sấy là hoa lavender được trồng và thu hoạch tại Đà Lạt, Lâm Đồng b Dụng cụ đo:

Dụng cụ đo gồm: Thiết bị đo áp suất, tốc độ gió, sàng rây Thông số và hình ảnh dụng cụ được thể hiện rõ tại phụ lục 5

c Phân tích độ ẩm của hạt:

Ẩm độ hoa tươi được phân tích bằng máy phân tích ẩm độ vật liệu AND 50 với sai số thiết bị là ± 0,1% Ẩm độ hạt tươi được phân tích 5 lần với số lượng hạt mẫu tối thiểu là 5 gam lấy ngẫu nhiên, ẩm độ hạt tươi đạt được trung bình là 75,1%

MX-d Đo kích thước trung bình của hoa

Do hình dáng của hoa không có dạng hình cầu nên ta sử dụng phương pháp sàng (rây) để xác định kích thước trung bình và đường kính tương đương hạt cầu Tiến hành lấy ngẫu nhiên 1 bó hoa có 100 cành, sau đó tách bóc các bông hoa ra khỏi chùm hoa và thân ta thu được 35g hoa rời Các rây được xếp theo thứ tự từ trên xuống dưới là rây lỗ 4mm, 3mm, 2mm, 1mm Hoa được đổ vào sàng rây lỗ 4mm nằm trên cùng và thực hiện sàng rây phân loại các loại kích thước hoa, sau đó tiến

Kích thước lỗ rây trung bình của hai sàng rây kế tiếp nhau di (mm)