tính toán thiết kế hệ thống sấy cá bằng năng lượng mặt trời

Em được khoa Cơ khí – Trường Đại học Nha Trang phân công đề tài tính toán thiết kế hệ thống sấy cá bằng năng lượng mặt trời năng suất 400kg/mẻ dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo TS.. Nội du

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC HÌNH iii

LỜI CẢM ƠN vi

LỜI NÓI ĐẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP SẤY BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2

1.1 Tổng quan về nguyên liệu cá 2

1.1.1 Cá cơm săn (Stolephorus tri): 2

1.1.2 Cá cơm thường (Stolephorus commersonii) 3

1.1.3 Cá cơm trổng 5

1.1.4 Sơ chế nguyên liệu trước khi sấy 7

1.2 Phương pháp sấy bằng năng lượng mặt trời 7

1.2.1.Khái niệm quá trình sấy 7

1.2.2 Đặc điểm quá trình sấy 8

1.2.3 Sự khuếch tán của nước trong nguyên liệu 9

1.2.4 Sấy năng lượng mặt trời 11

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY 16

2.1 Nhiệm vụ và phương án thiết kế 16

2.1.1 Nhiệm vụ thiết kế 16

2.1.2 Chọn phương án thiết kế 16

2.2 Chọn tác nhân sấy, sơ đồ hệ thống sấy 16

2.3 Tính toán nhiệt cho hệ thống sấy và chọn thiết bị 17

2.3.1 Tính toán nhiệt cho hệ thống sấy 17

2.3.1.1 Chọn chế độ sấy 17

2.3.1.2 Tính toán khối lượng vật liệu vào và ra khỏi thiết bị sấy 17

2.3.1.3 Tính lượng ẩm cần bốc hơi 17

2.3.1.4 Xây dựng quá trình sấy lý thuyết 18

2.3.1.5 Xác định kích thước cơ bản của hệ thống sấy 22

3.3.1.6 Tính toán tổn thất nhiệt 24

2.3.1.7 Quá trình sấy thực 26

2.4 Tính toán collector 28

2.4.1 Kết cấu bộ thu phẳng nung nóng không khí 28

2.4.1 Xác định cường độ bức xạ mặt trời lên 1m2 bề mặt thiết bị 29

2.4.2 Xác định hệ số truyền nhiệt hiệu dụng giữa tấm hấp thụ và dòng khí 31

2.4.3 Xác định hệ số tổn thất nhiệt của collector 33

2.4.4 Các thông số của collector năng lượng mặt trời 35

2.5 Tính toán chọn quạt: 36

2.6 Các giải pháp bổ trợ 39

CHƯƠNG III TRANG BỊ TỰ ĐỘNG HÓA VÀ VẬN HÀNH HỆ THỐNG 47

3.1 Tự động hóa 47

3.1.1 Trang bị điện động lực 47

3.1.2 Mạch điện điều khiển hệ thống 47

3.1.3 Nguyên lý hoạt động 48

3.2 Vận hành hệ thống 49

CHƯƠNG IV: SO SÁNH HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG SO VỚI PHƯƠNG PHÁP SẤY TRUYỀN THỐNG (PHƠI NẮNG) 50

4.1 Chủ quan đánh giá các phương pháp sấy 50

4.1.1 Về mặt cảm quan 50

4.1.2 Mặt bằng sản xuất 50

4.1.3 Nhân công lao động 50

4.1.4 Về mặt chất lượng 50

4.1.5 Thời gian sấy 51

4.1.6 Nhược điểm của hệ thống sấy so với sấy truyền thống 51

4.2 So sánh sơ bộ giá thành sản xuất 51

KẾT LUẬN 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1: Sơ đồ thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời trực tiếp 13

Hình 1.2: Thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời gián tiếp 14

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống sấy 16

Hình 2.2: Biểu diễn quá trình sấy trên đồ thị I -d 18

Hình 2.3: Sơ đồ mặt bằng hệ thống sây 23

Hình 2.4: Cấu tạo bộ nung không khí có kênh dẫn: 28

Hình 2.5: Mặt cắt collector nung nóng không khí 31

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy điện trở 39

Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy kết hợp 40

Hình 2.8: Sơ đồ chu trình quá lạnh và quá nhiệt 41

Hình 2.9 : Quá trình trao đổi nhiệt ở dàn ngưng 43

Hình 2.10 : Kích thước dàn ngưng 44

Hình 2.11: Quá trình trao đổi nhiệt ở dàn bay hơi 45

Hình 2.12 : Kích thước dàn lạnh 46

Hình 3.1: Mạch điện động lực 47

Hình 3.2: Trang bị điện điều khiển hệ thống 47

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1: Thông số quá trình sấy lý thuyết 21

Bảng 2.2: Thông số quá trình sấy thực 27

Bảng 2.3: Bảng thông số các điểm nút của chu trình 41

Bảng 2.4 : Các thông số của máy nén 42

Bảng 4.1: Điện năng tiêu thụ của hệ thống sấy bơm nhiệt 52

Bảng 4.2: So sánh chi phí các hệ thống sấy 52

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành đề tài này, em xin gửi lời cảm ơn sau sắc tới thầy giáo hướng dẫn Ts Trần Đại Tiến đã tận tình hướng dẫn em trong thời gian qua Bên cạnh đó em cũng xin gủi lời cảm ơn đến các thầy cô trường Đại học Nha Trang

đã tận tình dạy dỗ em trong suốt thời gian theo học tại trường

Ngoài ra em cũng xin chân thành cảm ơn những người thân trong gia đình, những người bạn đã giúp đỡ động viên em về mặt tinh thần trong suốt khóa học

Em xin chân thành cảm ơn!

LỜI NÓI ĐẦU

Biến đổi khí hậu đang diễn biến rất phức tạp, nhiệt độ trái đất sắp chạm đến ngưỡng có thể xảy ra những biến đổi to lớn và không thể đảo ngược khiếm việc sử dụng năng lượng tái tạo ngày càng trở nên bức thiết.Với sự phát triển vượt bậc của khoa học kĩ thuật hiện đại, con người đã có thể khai thác nguồn năng lượng sach như gió, mặt trời, địa nhiệt, thủy triều và sinh khối

Trong những năm gần đây năng lượng mặt trời dần khẳng định là một nguồn năng lượng tái tạo lý tưởng, sạch, vô tận và hoàn toàn miễn phí.Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong dải phân bố ánh mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới nên nước ta có thể khai thác nguồn năng lượng này để dần thay thế các nguồn năng lượng truyền thống khác Với bờ biển dài hơn 3000 km Việt Nam có tiềm năng lớn về thủy sản, trong đó mặt hàng khô cũng chiếm tỉ trọng tương đối lớn Yêu cầu đặt ra ở đây là thiết kế hệ thống sấy, sử dụng năng lượng mặt trời với mục đích tiết kiệm nhiên liệu mà vẫn đảm bảo chất lượng các sản phẩm

Sau thời gian học tập tại trường, đến nay kết thúc khóa học Em được khoa Cơ khí – Trường Đại học Nha Trang phân công đề tài tính toán thiết kế hệ thống sấy cá bằng năng lượng mặt trời năng suất 400kg/mẻ dưới sự hướng dẫn của Thầy giáo TS Trần Đại Tiến

Nội dung đề tài gồm:

Chương 1: Tổng quan về nguyên liệu cá, phương pháp sấy bằng năng

lượng mặt trời

Chương 2: Tính toán thiết kế hệ thống sấy

Chương 3: Trang bị tự động hóa và vận hành hệ thống sấy

Chương 4: So sánh hiệu quả của hệ thống với phương pháp sấy truyền thống

Do lần đầu thiết kế một hệ thống sấy năng lượng mặt trời, kiến thức thực tế còn ít nên trong quá trình thiết kế còn nhiều thiếu sót Kính mong được sự đóng góp ý kiến của các Thầy Cô

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP SẤY

BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan về nguyên liệu cá

Cá cơm (Stolephorus) thuộc họ cá Trổng (engraulidae) là họ cá đứng đầu về sản lượng trong ngành khai thác hiện nay trên thế giới và là đối tượng đánh bắt quan trọng trong nghề cá nổi ven biển phân bố rộng từ Bắc đến Nam ở nước ta.Theo ước tính của Viện nghiên cứu biển Nha Trang trữ lượng cá cơm của nước ta vào khoảng 50÷60 vạn tấn

Cá cơm thường sống thành từng đàn chủ yếu tập trung ở các vùng ven biển(độ sâu dưới 100m) của biển nhiệt đới và cận nhiệt đới, có một số loài phân bố rộng vào các cửa sông.Các nơi có sản lượng cá cơm cao là: Quảng Ninh, Cửa Lò, Bình Định, Quảng Nam, Đà Nẵng, Nha Trang, Phan Rang, Phan Thiết Các loài chiếm ưu thế trong khai thác là: cá cơm than-stolephorus heterolobus Ruppel ở Phú Quốc, cá cơm trổng( hay cá cơm Ấn Độ)-stolephorus indicusBleeker ở Bình Định, cá cơm đỏ-Stolephorus zollingeri Bleeker và cá cơm săn-Stlephorus tri bleeker ở Nha Trang Ở Việt Nam giống cá cơm có khoảng 140 loài, các loài thường gặp :

1.1.1 Cá cơm săn (Stolephorus tri):

- Bộ

Cá Trích (tên Việt Nam)

Clupeiformes (tên khoa học)

- Họ

Cá Trổng (tên Việt Nam)

Engraulidae (tên khoa học)

- Loài

Cá cơm săn(tên Việt Nam)

Stolephorus tri(tên khoa học)

Spined anchovy (tên tiếng anh)

- Môi trường sống

Ở các vùng ven biển và các cửa sông

- Đặc điểm sinh học

Cá cơm thường thường kết thành đàn lớn, ở trên các tầng giữa và trên bề mặt, thích ánh sáng đèn Thức ăn chủ yếu là tảo silic và chân mái chèo Copepoda Hằng năm cá thường đẻ vào tháng 2 đến tháng 6 ở gần ven biển và cửa sông

- Đặc điểm hình thái

Cá cơm thường có thân hình dài thon, hơi dẹp bên, màu trắng đục,dọc hai bên đều có dọc trắng bạc Chúng có xương hàm trên dài, mút sau vượt quá rìa sau của xương nắp mang trước, ở phía sau đỉnh trán rộng, rìa bên cong lồi ra, giữa mút cuối xương hàm trên và rìa sau của xương nắp mang trước phẳng hơn, bên ngoài lồi lên Đầu tương đối to, trên đầu có hai chấm màu xanh lục, mõm nhọn, mắt to, không có màng mắt, miệng rộng hơi xiên răng rất nhỏ Có một vây lưng tương đối to,vây ngực to vừa ở thấp, vây bụng nhỏ, vây hậu môn tách biệt với vây đuôi rộng dạng đuôi én, khởi điểm ở ó, xăm, mành

Người ta thường khai thác cá có kích thước từ 40-70 mm

Đặc điểm kinh tế

Cá cơm săn có giá trị kinh tế tương đối lớn

Sản lượng khai thác hàng năm có thể lên đến hàng ngàn tấn, mỗi mẻ có thể đạt khoảng 2-2,5 ngàn tấn

Giá trị sử dụng có thể dùng làm nước mắm, phơi khô, ăn tươi, muối chua

và làm bột cá dành cho gia súc…

1.1.2 Cá cơm thường (Stolephorus commersonii)

- Bộ

Cá trích (tên Việt Nam)

Cluperformes (tên khoa học)

- Họ

Cá trổng (tên Việt Nam)

Engraulidae (tên khoa học)

- Giống

Cá cơm (tên Việt Nam)

Stolephorus (tên khoa học)

- Loài

Cá cơm thường (tên Việt Nam)

Stolephorus commersonii (tên khoa học) Commerson’s anchovy (tên tiếng anh)

Đặc điểm hình thái

Cá cơm thường có thân hình dài thon, hơi dẹp bên, màu trắng đục,dọc hai bên đều có dọc trắng bạc Chúng có xương hàm trên dài, mút sau vượt quá rìa sau của xương nắp mang trước, ở phía sau đỉnh trán rộng, rìa bên cong lồi ra, giữa mút cuối xương hàm trên và rìa sau của xương nắp mang trước phẳng hơn, bên ngoài lồi lên Đầu tương đối to, trên đầu có hai chấm màu xanh lục, mõm nhọn, mắt to, không có màng mắt, miệng rộng hơi xiên răng rất nhỏ Có một vây lưng tương đối to,vây ngực to vừa ở thấp, vây bụng nhỏ, vây hậu môn tách biệt với vây đuôi rộng dạng đuôi én, khởi điểm ở dưới gốc vây lưng Các tia phần trên vây ngực không kéo dài thành sợi, cơ trên phần má kéo dài về phía trước che lấp xương gốc nắp mang Ở gốc vây lưng và vây hậu môn đều có một số chấm nhỏ

Cá cơm thường có chiều dài thân gấp 4,4-5,2 lần chiều cao thân, gấp 4,5 lần chiều dài đầu, chiều dài đầu gấp 4-6 lần chiều dài mõm Kích thước thông thường của cá cơm thường là 50-70 mm, lớn nhất là 100 mm

4,2-Đặc điểm phân bố

Trên Thế Giới cá cơm thường chủ yếu ở các ước nhiệt đới như: Indonesia,Malaysia, Thái Lan, Philippin, Trung Quốc, Nam Triều Tiên, Ấn Độ,

các nước Đông Phi, biển Ả Rập, Vịnh Aden, Madagasca, Mauritius…

Ở Việt Nam cá cơm thường phân bố chủ yếu ở các vùng biển như: Quảng Ninh, Hải Phòng, Thanh Hóa, Thái Bình, Nam Định, Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh, Thừa Thiên Huế, Quãng Nam, Quãng Ngãi, Bình Định, Phú Yên, Khánh Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận, Vũng Tàu, Tiền Giang, Bến Tre, Trà Vinh, Sóc Trăng, Bạc Liêu, Kiên Giang, Cà Mau và vịnh Thái Lan

Cá trích (tên Việt Nam)

Clupeiformes (tên khoa học)

- Họ

Cá trổng (Tên Việt Nam)

Engraulidae (tên khoa học)

- Giống

Cá cơm (tên Việt Nam)

Stolephorus (tên khoa học)

- Loài

Cá cơm trổng (tên Việt Nam)

Stolephorus indicus (tên khoa học) Indica’s anchovy (tên tiếng anh)

- Môi trường sống

Cá cơm trổng thường sống ở các vùng biển ven bờ và các cửa sông có độ muối thấp

- Đặc điểm sinh học

Cá cơm trổng thường kết thành đàn lớn, bơi lội ở các tầng giữa và trên mặt của các vùng biển ven bờ hay cửa sông có độ muối thấp,có thể ngược dòng nước thủy triều vào sông ở vùng nước lợ, thích ánh sáng đèn

Cá cơm trổng có thân hình to hơn so với các loại cá cơm khác, thường đẻ trứng vào tháng 2 đến tháng 6, thức ăn chủ yếu là thực vật nổi

Cá cơm trổng có chiều dài thân gấp 4,9-5,3 lần chiều cao thân, gấp 4,0-4,9 lần chiều dài đầu

- Đặc điểm phân bố

Trên Thế Giới cá cơm trổng chủ yếu ở các nước nhiệt đới như: Ấn

Độ, Malaysia, Indonesia, Singapo, Thái Lan, Campuchia, Trung Quốc và Nhật Bản, bờ biển Đông Phi…

Ở Việt Nam cá cơm trổng thường gặp ở vịnh Bắc Bộ, vùng bieent Trung

Bộ và vịnh Thái Lan…

- Đặc điểm khai thác

Cá cơm trổng có mùa vụ khai thác từ tháng 6 đến tháng 8

Dụng cụ khai thác thường là các loại lưới vây, vó, xăm đáy, rùng, mành Người ta thường khai thác cá có chiều dài từ 90 - 100 mm, kích thước dài nhất là

135 mm

- Đặc điểm kinh tế

Cá cơm trổng có sản lượng khai thác ít nhất

Giá trị sử dụng thường dùng để ăn tươi

1.1.4 Sơ chế nguyên liệu trước khi sấy

- Nguyên liệu:

Nguyên liệu phải tươi tốt, không dập nát, gãy đầu vỡ bụng, không bị tróc lớp vảy và màu trắng bạc trên thân cá Nguyên liệu sau khi mua tại chợ phải được bảo quản bằng nước lạnh và nước đá xay nhỏ hoặc bảo quản bằng tủ đông nếu chưa làm kịp để đảm bảo chất lượng cá tránh hư hỏng

- Rửa:

Nguyên liệu sau khi mua về hoặc sau khi bảo quản phải được rửa bằng nước sạch để loại bỏ tạp chất, nhớt, máu cá Qúa trình rửa tránh làm dập cá, tróc vảy, tróc lớp trắng bạc trên thân cá Rửa bằng nước lạnh, rửa qua 2 ÷ 3 lần nước cho thật sạch trước khi đem ngâm axit

- Ngâm axit:

Cá sau khi rửa sạch được vớt ra rổ để ráo nước và tiến hành ngâm axit

CH3COOH nồng độ 0,1% để khử mùi tanh, tỷ lệ ngâm 1kg cá/ 1lit nước có pha 1ml CH3COOH 1% Axit acetic có khả năng khử mùi tanh của cá mà không ảnh hưởng đến chất lượng và màu sắc của cá, tiến hành ngâm trong 15 phút sau đó vớt ra rửa sạch trước khi đem đi luộc muối

- Luộc muối:

Một lít nước được đun sôi có pha muối nồng độ 10% được chuẩn bị để luộc

cá, cá sau khi ngâm axit được rửa sạch tiến hành luộc muối từ lúc nước sôi 1000C là

3 phút, chỉnh lửa nhỏ để nước sôi vừa, không quá lửa để tránh làm cá nát, rụng đầu, tróc mất màu trắng bạc trên thân cá

Quá trình luộc không đảo cá tránh làm dập nát cá Luộc muối có tác dụng làm giảm lượng vi sinh vật có trên thân cá, làm giảm lượng ẩm của cá, thúc đẩy nhanh quá trình sấy, tạo vị của sản phẩm và có tác dụng bảo quản

1.2 Phương pháp sấy bằng năng lượng mặt trời

1.2.1 Khái niệm quá trình sấy

Quá trình sấy là quá trình làm khô vật thể bằng phương pháp bay hơi Đối tượng của quá trình sấy là các vật ẩm, các vật thể có chứa một lượng lỏng nhất định, chất lỏng chứa trong vật thể thường là nước Một số ít vật ẩm khác chứa

chất lỏng khác là dung môi hữu cơ Qua định nghĩa ta thấy quá trình sấy yêu cầu các tác động cơ bản đến vật ẩm là:

- Cấp nhiệt cho vật ẩm trong vật hóa hơi

- Lấy hơi ẩm ra khỏi vật và thải vào môi trường

1.2.2 Đặc điểm quá trình sấy

Đặc điểm của quá trình sấy đối với vật thể có độ ẩm tương đối cao, nhiệt

độ sấy và tốc độ chuyển động của không khí không quá lớn xảy ra theo ba giai đoạn đó là giai đoạn làm nóng vật, giai đoạn sấy tốc độ không đổi, giai đoạn tốc

độ sấy giảm dần Đối với các trường hợp sấy với điều kiện khác thì quá trình sấy cũng xảy ra ba giai đoạn nhưng các giai đoạn có thể đan xen khó phân biệt hơn

Giai đoạn làm nóng vật

Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng cho tới khi nhiệt độ vật đạt được bằng nhiệt độ kế ước Trong quá trình sấy này toàn bộ vật được gia nhiệt Ẩm lỏng trong vật được gia nhiệt cho đến khi đạt được nhiệt độ sôi ứng với phân áp suất hơi nước trong môi trường không khí trong buồng sấy Do được làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm chút ít do bay hơi

ẩm còn nhiệt độ của vật thì tăng dần cho đến khi bằng nhiệt độ kế ước Tuy vậy,

sự tăng nhiệt độ trong quá trình xảy ra không đều ở phần ngoài và phần trong vật Vùng trong vật đạt đến nhiệt độ kế ước chậm hơn Đối với vật dễ sấy thì giai đoạn làm nóng vật xảy ra nhanh

Giai đoạn sấy với tốc độ không đổi

Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ kế ước Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sẽ hóa hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên nhiệt cung cấp chỉ để làm hóa hơi nước Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng ở bên trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hóa hơi Do nhiệt

độ không khí nóng không đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi nên chênh lệch nhiệt

độ giữa vật và môi trường cũng không đổi Điều này làm cho tốc độ giảm của độ chứa ẩm vật theo thời gian cũng không đổi, có nghĩa là tốc độ sấy không đổi

Trong giai đoạn này biến thiên của độ chứa ẩm theo thời gian là tuyến tính Ẩm được thoát ra trong giai đoạn này là ẩm tự do Khi độ ẩm của vật đạt

đến trị số tới hạn Uk = Ucbmax thì giai đoạn sấy tốc độ không đổi chấm dứt Đồng thời cũng là chấm dứt giai đoạn thoát ẩm tự do chuyển sang giai đoạn sấy tốc độ giảm

Giai đoạn sấy với tốc độ giảm dần

Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi ẩm tự do đã bay hơi hết, còn lại trong vật là ẩm liên kết Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ không đổi có nghĩa là tốc độ sấy trong giai đoạn này nhỏ hơn và càng giảm đi theo thời gian sấy Quá trình sấy càng tiếp diễn, độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độ ẩm của vật giảm đến bằng độ ẩm cân bằng với điều kiện môi trường không khí ẩm trong buồng sấy thì quá trình thoát ẩm của vật ngưng lại, có nghĩa tốc độ sấy bằng không

1.2.3 Sự khuếch tán của nước trong nguyên liệu

Sự khuếch tán của nước trong nguyên liệu

Dưới sự ảnh hưởng của các nhân tố lý học như: hấp thụ nhiệt, khuếch tán, bay hơi làm nước trong vật liệu tách ra ngoài, đây là một quá trình rất phức tạp gọi là làm khô Nếu quá trình cung cấp nhiệt ngừng lại mà vẫn muốn duy trì quá trình sấy thì quá trình làm khô vật liệu phải được cung cấp một lượng nhiệt nhất định để vật liệu có nhiệt độ cần thiết

Nhiệt cung cấp cho vật liệu Q được đưa tới bằng ba phương thức: bức xạ, truyền dẫn và đối lưu Sự cân bằng nhiệt khi làm khô được biểu thị:

Q = Q1 + Q2 + Q3 Trong đó:

Q : là nhiệt lượng cung cấp cho nguyên liệu

Q1 : là nhiệt lượng làm cho các phần tử hơi nước tách ra khỏi nguyên liệu

Q2 : là nhiệt lượng cung cấp để cắt đứt mối liên kết mỗi giữa nước và protêin trong nguyên liêụ

Q3 : là nhiệt lượng để làm khô các tổ chức tế bào

Sau khi sấy khô còn phải tính đến nhiệt lượng làm nóng dụng cụ thiết bị Q4

và nhiệt lượng hao phí ra môi trường xung quanh Q5

Trong quá trình làm khô nước ở trong vật liệu khuếch tán chuyển dần ra

bề mặt nguyên liệu và môi trường xung quanh, làm cho không khí trong môi trường xung quanh ẩm lên, nếu không khí ẩm đó không được phân tán thì cho đến một lúc nào đó quá trình sấy khô sẽ dừng lại Khi nhiệt lượng cung cấp đủ cho nguyên liệu thì nước sẽ thoát ra khỏi nguyên bằng hai quá trình: khuếch tán

ngoại và khuếch tán nội

Quá trình khuếch tán nội

Quá trình khuếch tán nội là quá trình chuyển dịch ẩm từ các lớp bên trong

ra lớp bề mặt của vật ẩm Động lực của quá trình này là do sự chênh lệch nồng

độ ẩm giữa các lớp bên trong và các lớp bề mặt Ngoài ra quá trình khuếch tán nội còn diễn ra do sự chênh lệch nhiệt độ giữa các lớp bên trong và các lớp bề mặt Qua nghiên cứu ta thấy rằng ẩm dịch chuyển từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi

có nhiệt độ thấp Vì vậy, tùy thuộc vào phương pháp sấy và thiết bị sấy mà dòng

ẩm dịch chuyển dưới tác dụng của nồng độ ẩm và dòng ẩm dịch chuyển dưới tác dụng của nhiệt độ có thể cùng chiều hoặc ngược chiều với nhau

Ta có thể biểu thị tốc độ khuếch tán nội bằng phương trình sau :

Trong đó:

W: lượng nước khuếch tán, (kg)

dt: Thời gian khuếch tán, (giờ)

dx

dc F k dt

dW

.

=

dx

dc

1.2.4 Sấy năng lượng mặt trời

a Mặt trời và bức xạ năng lượng

Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ với đường kính trung bình khoảng 1,36 triệu km và cách Trái Đất khoảng 150 triệu km Theo các số liệu hiện có, nhiệt

độ bề mặt của mặt trời vào khoảng 6000K, trong khi đó nhiệt độ ở vùng trung tâm của mặt trời rất lớn, vào khoảng 8.106K đến 40.106K Mặt trời được xem là một lò phản ứng nhiệt hạch hoạt động liên tục

Gọi R là bán kính của mặt trời, khi đi từ tâm mặt trời trở ra, ta có các số liệu như sau:

Có khoảng 90% tổng năng lượng của mặt trời xuất phát trong vùng từ tâm đến vùng có bán kính 0,23R mặc dù khối lượng và thể tích của vùng này chỉ chiếm tương ứng khoảng 40% so với khối lượng và thể tích toàn bộ Áp suất ở vùng gần trung tâm khoảng 109 atm

Nhiệt độ và khối lượng riêng của mặt trời ở vùng có bán kính 0,7R là 130000K và 0,07g/cm3 Năng lượng xuất phát từ vùng gần tâm truyền đến vùng này dưới dạng tia X và tia γ Người ta gọi vùng có bán kính 0,23R đến 0,7R là lớp vỏ phóng xạ

Năng lượng mặt trời phát ra dưới dạng sóng điện từ và lan truyền với vận tốc khoảng 3.108 (m/s) qua chân không bao bọc quanh trái đất đến bề mặt trái đất, sau 8 phút đã đạt tới quỹ đạo của trái đất ở cách mặt trời 1,5.108 (km) Cường độ ban đầu của nó lớn đến mức ngay ở một khoảng cách lớn như vậy giá trị của cường độ còn tới 1353(W/m2) Tuy rằng trái đất chỉ nhận được một phần nhỏ, nhưng phần năng lượng đi tới các lớp trên của khí quyển cũng đã lớn gấp hàng chục lần nhu cầu năng lượng hiện nay của trái đất

Do những tương tác phức tạp khác nhau trong khí quyển nên chỉ một phần năng lượng đó tới được mặt đất Ở những lớp trên bầu khí quyển cách trên bề mặt trái đất khoảng 25 km ta có sự hấp thụ và sự tán xạ của bức xạ tử ngoại

Bức xạ mặt trời khi đi qua khí quyển còn gặp một trở ngại đáng kể nữa là các phân tử hơi nước, khí cacbonic và các hợp chất khác Các phân tử này hấp thụ bức xạ, mức độ của hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở khoảng

giữa của vùng hồng ngoại có bước sóng 0,76 ÷ 1,5µm Tất cả các dạng bức xạ điện đều lan truyền với cùng tốc độ

Do các tương tác với khí quyển, cường độ bức xạ ở bề mặt trái đất giảm đi hơn 2 lần so với giá trị của nó ở những lớp trên của khí quyển

b Hiệu ứng nhà kính

Theo cách hiểu thông thường, hiệu ứng nhà kính được xem như bẫy nhiệt, nhiệt lượng có thể được cho đi vào dễ dàng nhưng khi đi ra thì bị ngăn chặn đáng

kể Đây là biện pháp được dùng để làm gia tăng khả năng hấp thụ nhiệt

Trong kĩ thuật, nhất là kĩ thuật năng lượng mặt trời, hiệu ứng nhà kính được áp dụng rất rộng rãi Quan sát collector mặt trời dùng để cung cấp nươc nóng, thông thường ta thấy trên bề mặt hấp thụ nhiệt luôn luôn có lắp đặt tấm trong suốt bằng mica hay bằng kính Đặc điểm chung của các tấm trong suốt này

là có khả năng ngăn cản sự xuyên qua của các tia bức xạ sóng dài, nhưng lai cho

đi qua dễ dàng đối với các tia bức xạ sóng ngắn Như đã biết, bước sóng của các tia bức xạ phát ra từ một vật nào đó phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ của vật đó Nếu nhiệt độ của vật càng cao thì mật độ của các tia bức xạ có bước sóng ngắn càng lớn Ngược lại, nếu nhiệt độ của vật càng thấp thì hầu hết các tia bức xạ phát ra

từ vật này có bước sóng dài Như vậy, các tia bức xạ mặt trời có thể đi qua tấm trong suốt lắp trên collector mặt trời một cách dễ dàng vì các tia này có bước sóng rất ngắn Sở dĩ các tia này hầu hết có bước sóng ngắn vì nguồn phát là mặt trời có nhiệt độ rất cao Trong khi đó nhiệt độ bề mặt tấm hấp thụ khá thấp nên các tia bức xạ phát ra từ tấm này có bước sóng dài và do khả năng xuyên qua tấm trong suốt bị hạn chế

c Các phương pháp sấy sử dụng năng lượng mặt trời

Phơi bằng năng lượng mặt trời

Sấy bằng cách phơi nắng (không có sử dụng thiết bị sấy) được sử dụng rộng rãi nhất trong chế biến nông sản…

• Ưu điểm:

- Công nghệ đơn giản chi phí đầu tư và vận hành thấp

- Không đòi hỏi cung cấp năng lượng lớn và công nhân lành nghề

- Có thể sấy lượng lớn vụ mùa với chi phí thấp

• Nhược điểm:

- Kiểm soát điều kiện sấy rất kém

- Tốc độ sấy chậm hơn so với sấy bằng thiết bị, do đó chất lượng sản

phẩm cũng kém và giao động hơn

- Quá trình sấy phụ thuộc vào thời tiết và thời gian trong ngày

- Đòi hỏi nhiều nhân công

Sấy bằng năng lượng mặt trời sử dụng thiết bị

o Thiết bị sấy năng lượng mặt trời trực tiếp:

Tia bức xạ mặt trời được chiếu thẳng trên bề mặt sản phẩm làm nóng vật liệu sấy Ngoài ra còn sử dụng hiệu ứng nhà kính làm bẫy nhiệt bao vây bên trong làm tăng nhiệt độ không khí

Hình 1.1: Sơ đồ thiết bị sấy bằng năng lượng mặt trời trực tiếp

• Ưu điểm:

+ Thiết bị đơn giản

+ Giá thành rẻ

• Nhược điểm:

+ Sự bức xạ của tia tử ngoại có thể gây hỏng sản phẩm sấy

o Thiết bị sấy năng lượng mặt trời gián tiếp:

Thiết bị này gồm hai bộ phận riêng biệt đó là bộ phận thu năng lượng mặt trời và buồng sấy Tác nhân sấy được làm nóng ở bộ phận thu năng lượng mặt trời sau đó sẽ được dẫn vào buồng sấy để thực hiện quá trình sấy

Hình 1.2a

Hình 1.2b

Hình 1.2: Thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời gián tiếp

• Ưu điểm:

+ Tránh được ảnh hưởng của tia tử ngoại đối với sản phẩm

+ Giảm thiệt hại khi nhiệt độ cao quá mức

• Nhược điểm:

+ Thiết bị phức tạp hơn và đắt hơn so với thiết bị sử dụng NLMT trực tiếp

o Thiết bị sấy năng lượng mặt trời loại hỗn hợp:

Là thiết bị kết hợp cả hai phương pháp lấy năng lượng mặt trời trên

• Ưu điểm:

+ Thế sấy của quá trình sấy được tăng lên

+ Quá trình sấy nhanh hơn

+ Dải nhiệt độ sấy lớn hơn

Trong quá trình hoạt động, trời mưa thất thường hoặc phải làm việc vào ban đêm, các hệ thống sấy trên hoàn toàn không thể đáp ứng được yêu cầu, chính vì vậy việc kết hợp các phương pháp sấy khác vào là rất cần thiết để đảm bảo hệ thống luôn hoạt động đáp ứng đủ yêu cầu

CHƯƠNG II : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY

2.1 Nhiệm vụ và phương án thiết kế

2.1.1 Nhiệm vụ thiết kế

- Thiết kế hệ thống sấy 400kg cá sử dụng năng lượng mặt trời

- Chất lượng sản phẩm cao, đảm bảo các tiêu chí về giá trị dinh dưỡng vệ sinh an toàn

- Thiết bị thiết kế đơn giản dễ vận hành bảo dưỡng

- Khả năng tự động hóa, chi phí vận hành thấp, tuổi thọ dài

2.1.2 Chọn phương án thiết kế

Vì sấy bằng năng lượng mặt trời nên phương pháp sấy ở đây là sấy nóng, TNS và vật liệu sấy được đốt nóng và nhờ độ chênh lệch phần áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu và TNS mà ẩm sẽ bay hơi từ VLS vào TNS và như vậy quá trình sấy được thực hiện

2.2 Chọn tác nhân sấy, sơ đồ hệ thống sấy

Để duy trì động lực quá trình sấy cần một môi chất mang ẩm thoát từ bề mặt VLS thải vào môi trường Môi chất làm nhiệm vụ nhận ẩm từ bề mặt vật để thải vào môi trường gọi chung là tác nhân sấy (TNS) TNS có thể là không khí, khói lò hoặc một số chất lỏng như dầu mỏ, macarin …,trong đó không khí và khói lò là hai tác nhân sấy phổ biến nhất Trong các TBS đối lưu, tác nhân sấy còn làm them nhiệm vụ đốt nóng vật Trạng thái của TNS cũng như nhiệt độ và tốc độ của nó đóng vai trò quan trọng trong toàn bộ quá trình sấy:

Do tính chất phổ biến và do đặc điểm thiết kế của HTS ta chọn tác nhân sấy là không khí

Hình 2.1: Sơ đồ hệ thống sấy

2.3 Tính toán nhiệt cho hệ thống sấy và chọn thiết bị

2.3.1 Tính toán nhiệt cho hệ thống sấy

2.3.1.1 Chọn chế độ sấy

Ta chọn hệ thống sấy hầm không hồi lưu, không khí nóng đi ngược chiều với vật liệu sấy với các thông số như sau:

Nguyên liệu sấy là cá cơm đã qua sơ chế có độ ẩm ω1 = 72%

Sấy cá ở nhiệt độ: t1 = 65 năng suất G1=400kg/mẻ trong 6h

Độ ẩn đến cuối ω2=20÷22%

Độ ẩm tác nhân sấy ϕ0=80%

2.3.1.2 Tính toán khối lượng vật liệu vào và ra khỏi thiết bị sấy

Năng suất ban đầu của hệ thống sấy là 400kg/mẻ

Gọi G1, ω1, G2, ω2 lần lượt là khối lượng và độ ẩm tương đối của vật liệu sấy đi vào và ra khỏi thiết bị sấy

Do khối lượng vật liệu khô tuyệt đối trước và sau quá trình sấy là không đổi nên ta có:

Gk=G1.(1- ω1) = G2.(1- ω2) Suy ra: G2=G1

2

1 1

G1=400

2 , 0 1

72 , 0 1

−

−

=140 [kg]

Khối lượng vật liệu vào TBS là G1=400 kg/mẻ

Khối lượng vật liệu ra TBS là G2=140 kg/mẻ

τ

W

Trong đó: τ = 6h là thời gian sấy

Thay số vào ta được:

Wh =

6

260

=43,33 [kg/h]

Vậy lượng ẩm cần bốc hơi trong 1h là 43,33 [kg/h]

2.3.1.4 Xây dựng quá trình sấy lý thuyết

1 Xác định các thông số không khí trong quá trình sấy

- Quá trình sấy trên đồ thị i-d:

Hình 2.2: Biểu diễn quá trình sấy trên đồ thị I -d Điểm 0: Là điểm không khí ngoài trời

Điểm 1: Xảy ra ở buồng gia nhiệt trước khi vào buồng sấy, tại đây không khí được đốt nóng từ t0 lên t1, tại đây độ chứa ẩm d0=d1

Điểm 2: Điểm TNS sau khi ra khỏi buồng sấy, đây là quá trình đẳng entanpy I1 =I2

• Các thông số được chọn trước:

- Nhiệt độ TNS ta chọn t1=65oC

- Chọn sơ bộ nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi buồng sấy t2= 35oC

2 Xác định thông số tại các điểm

• Xác định thông số không khí ngoài trời:

Do địa điểm khảo sát thiết kế hệ thống sấy ở Nha Trang nên thông số không khí ngoài trời như sau:

Nhiệt độ môi trường lấy theo nhiệt độ trung bình trong năm t0= 26,5oC

Độ ẩm tương đối của không khí được chọn là độ ẩm trung bình trong năm

ϕ0=80%

Như vậy, ta có trạng thái không khí ngoài trời 0(t0, ϕ0) Từ đó dễ dàng xác định được các thông số còn lại ở trạng thái này là d0, I0 trên đồ thị i-d hoặc có thể tính bằng phương pháp giải tích như sau:

p

.

0

ϕ0=80%, là độ ẩm tương đối của không khí tại điểm 0

pb: Áp suất hơi bão hòa

p= 1at= 0,98bar: Áp suất khí quyển

với pb được xác định như sau:

,12

t , bar Thay số:

42,4026031

0345 , 0 8 , 0

Với;

r: Nhiệt ẩn hóa hơi của nước r ≈ 2500 kj/kg

Cph: Nhiệt dung riêng hơi nước, Cph ≈ 1,9kj/kgK

Cpk: Nhiệt dung riêng của không khí khô, Cpk ≈ 1 kj/kgK Thay số vào ta được:

I0= 1.26,5 +0,018.(2500 + 1,9.26,5) =72,4 , kj/kgK

• Xác định các thông số của TNS trước quá trình sấy:

Trạng thái không khí trước khi vào buồng sấy được xác định bằng điểm 1(t1,d1) Với nhiệt độ sấy theo thiết kế là t1=65oC Quá trình gia nhiệt cho không khí là quá trình đẳng ẩm nên ta có: t1= 65oC, d1=d0=0,018[kg/kgk3]

Từ đó ta dễ dàng tìm được ϕ1 và I1 dựa vào đồ thị i-d hoặc bằng phương pháp giải tích như sau:

.

d p

p d

,12

t

65235

42,4026031

ϕ1=

(0 , 622 0 , 018)

24898 ,

0

98 , 0 018 , 0

• Xác định các thông số của TNS sau quá trình sấy:

Với quá trình sấy lý thuyết thì entanpy =const Vì vậy ta có thể xác định được trạng thái không khí sau quá trình sấy là điểm 2(t2,I2), với t2 được chọn sao cho đảm bảo bé nhất để giảm tối thiểu tổn thất do TNS mang đi Nên ta chọn t2= 35oC

.

t C r

t C I

35 1 223 , 112

.

d p

p d

Ps2: Áp suất bão hòa của hơi nước ở t2

Ps2 được tính như sau:

,12

42,4026031

98 , 0 03009 , 0

3 Lưu lượng không khí khô lý thuyết

• Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1kg ẩm trong quá trình sấy là:

11

d d d

4 Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy lý thuyết

Trong quá trình sấy lý thuyết thì không có nhiệt tổn thất và không có nhiệt

bổ sung: Qs=0, Qbs=0 Như vậy, lượng nhiệt do TNS cung cấp cho VLS làm ẩm bay hơi thì chính lượng ẩm này mang một lượng nhiệt ngược trở vào TNS Do đó entanpy là không đổi I1=I2

Nhiệt lượng cần thiết cho 1kg ẩm bốc hơi trong 1h:

q0 =l0.(I1 – I0) Thay vào ta có:

q0=80.(112,223 - 72,4)=3185,84 , kj/kg Vậy để hóa hơi hết lượng ẩm Wh trong một giờ cần lượng nhiệt la Q0: Nhiệt lượng tiêu hao trong quá trình sấy:

Q0=q0.Wh=3185,84.43,33=138042,45 kj/h =38,345 kw

2.3.1.5 Xác định kích thước cơ bản của hệ thống sấy

• Ta chọn thiết bị chuyển tải là xe goòng Mỗi xe đặt 10 khay sản phẩm

có kích thước 1000x800 mm, mỗi khay chứa 3÷4kg nguyên liệu Như vậy khối lượng vật liệu sấy mỗi xe là:

Gx=4.10=40kg

Số xe goòng cần thiết:

= 10 xe Trên mỗi xe goòng ta đặt 10 khay cao 0,05m các khay sản phẩm mỗi khay đặt cách nhau 0,1m, khoảng các từ khay trên cùng đến trần và khoảng cách từ khay dưới cùng đến nền là 0,2m

Như vậy ta có chiều cao của buồng sấy là:

H =0,2.2 + 9.0,1+10.0,05 = 1,8m Mỗi xe goong trong hầm sấy ta đặt cách nhau khoảng 0,2m và theo chiều dài cách tường khoảng 0,8m, với chiều rộng ta để cách tường 0,3m vậy ta được:

Chiều dài hầm sấy là:

L =5.0,8 + 4.0,2 + 2.0,8 =6,4 m Chiều rộng hầm sấy:

3.3.1.6 Tính toán tổn thất nhiệt

• Tổn thất nhiệt do nâng nhiệt độ xe goòng (gồm xe và khay sản phẩm):

Trong đó:

Qct – khối lượng của thiết bị truyền tải, kg

Gct – nhiệt dung riêng của thiết bị truyền tải, KJ/KgK

Tct1 – nhiệt độ vào của thiết bị truyền tải,lấy bằng nhiệt độ môi trường

Tct2 – nhiệt độ xe goòng được nâng lên tới nhiệt độ tác nhân sấy

Xe goòng làm bằng thép giả sử có khối lượng Gx =20kg, khối lượng 1 khay sấy là Gk = 0,5kg:

Q

=

33 , 43

5 , 2937

=67,8 kj/kg

• Tổn thất nhiệt ra ngoài môi trường:

Do nhiệt độ không khí bên ngoài t0=26,5oC thấp hơn nhiệt độ trong buồng sấy, nên sẽ có dòng nhiệt từ trong buồng sấy thoát ra ngoài môi trường qua kết cấu bao che

Vì kích thước cửa buồng sấy không đáng kể nên ta xem tổn thất ở của như tổn thất ở tường bao

1 1

1

αλ