27 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 55, 2009 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH SẤY THÓC BẰNG THIẾT BỊ SẤY NĂNG LƯỢNG M ẶT TRỜI KIỂU ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN Minh C ng, Phan Hòa Tr ng i h c Nông Lâm, i h c Hu TÓM TẮT Thi t b s y n ng l ng m t tr i ki u i l u t nhiên dùng s y thóc có k t c u n gi n, d s d ng và giá thành th p, phù h p v i quy mô h nông dân, có th s d ng v t li u có s n a ph ng ch t o. Khi s d ng thi t b này, th i gian s y rút ng n nhi u so v i ph i n ng t nhiên khi trong cùng m t i u ki n nh nhau, m b o s l ng và ch t l ng c a thóc s y, không b các côn trùng và chim chu t thâm nh p phá ho i, phòng ng a c m a m. Thi t b này c ng có th c s d ng s y m t s s n ph m nông nghi p khác. 1. Đặt vấn đề Trong khâu phơi sấy thóc, nông dân thường sử dụng dạng hong phơi tự nhiên tr ực tiếp dưới ánh nắng mặt trời. Đó là phương pháp đơn giản với chi phí thấp nhất, nh ưng có nhiều hạn chế như: thóc khô không đều, có thể nhiễm bẩn do đất cát hoặc bị các lo ại chim, chuột phá hoại và không chủ động bởi thời tiết thất thường. Vi ệc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời (NLMT) để gia nhiệt cho thiết bị s ấy thóc nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng bức xạ mặt trời, bảo đảm năng suất và chất l ượng quá trình sấy là một hướng đi phù hợp với điều kiện thực tế và là vấn đề cấp thiết hi ện nay. Vì vậy, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: Nghiên cứu quá trình sấy thóc b ằng thiết bị sấy NLMT kiểu đối lưu tự nhiên, nhằm: - Xác định mẫu thiết bị sấy thóc sử dụng NLMT phù hợp với đặc điểm nông hộ trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế. - Xác định trạng thái của quá trình sấy hạt nông sản bằng thiết bị sấy sử dụng NLMT ki ểu đối lưu tự nhiên, làm cơ sở để thiết kế, chế tạo các thiết bị sấy NLMT. 2. Phương pháp nghiên cứu - Ph ương pháp thu thập thông tin thông qua các tài liệu xuất bản và internet. - Ph ương pháp đo số liệu bằng các dụng cụ chuyên dùng. - Ph ương pháp xử lý số liệu bằng toán xác xuất thống kê nhờ phần mềm Excel, 28 Cropwat 4.0. - Ph ương pháp tính toán lý thuyết bằng toán giải tích. - Ph ương pháp thực nghiệm sấy lúa trên mô hình thí nghiệm. 3. Nội dung và kết quả nghiên cứu 3.1. L ựa chọn nguyên lý làm việc của thiết bị Thi ết bị sấy bằng NLMT được thực hiện theo hai phương pháp: Thiết bị sấy trực ti ếp và thiết bị sấy gián tiếp. Thi ết bị sấy trực tiếp có tuần hoàn khí tự nhiên. Thóc được trải thành một lớp m ỏng trong một phòng kín hấp thụ với phía trên được che phủ bằng một tấm trong suốt. Thóc được gia nhiệt và nóng lên, ẩm được bốc hơi và thoát ra ngoài. Phương pháp này đơn giản, không sợ trời mưa và thóc không bị nhiễm bẩn. Nhưng nó có nhược điểm: Quá trình s ấy chậm, mất nhiều thời gian, chỉ sấy được lớp thóc mỏng nên năng suất thấp. Thi ết bị sấy gián tiếp có dẫn nhiệt cưỡng bức. Thóc được đặt tại các sàng sấy, khí nóng được lấy từ bộ thu nhiệt NLMT thổi xuyên qua các vĩ sấy và lớp thóc làm cho thóc khô d ần. Phương pháp này có ưu điểm: Do hiệu suất của bộ hấp thụ cao hơn nên nhi ệt độ sấy cao hơn, quá trình sấy đều hơn do không khí nóng đi từ dưới lên. Nhưng nó có nh ược điểm: diện tích chiếm chỗ của thiết bị lớn, quá trình sấy còn phụ thuộc vào ngu ồn năng lượng bên ngoài để chạy quạt, giá thành thiết bị cao hơn. Xu ất phất từ những ưu, nhược điểm của hai phương pháp trên, chúng tôi chọn nguyên lý s ấy hỗn hợp kiểu đối lưu tự nhiên 3.2. Tính toán lý thuyết mô hình thiết bị T ừ công thức tính hiệu suất của collector: η C = v.ρ.C P .∆t A C .E n Trong đó: v – Thể tích khí thổi qua collector trong một thời gian, m 3 /s ρ – T ỷ trọng của không khí, kg/m 3 C P – Nhiệt dung riêng của không khí, KJ/kg o K ∆t – Nhi ệt độ nóng lên của không khí sau khi đi qua Collector, o C E n – Cường độ của bức xạ mặt trời, W/m 2 A C – Diện tích của collector , A C = v.ρ.C P .∆t η C .E n , m 2 * L ượng ẩm cần tách khỏi hạt tính theo công thức: m W = m (W 1 – W 2 ) (100 – W 2 ) , kg ẩm Trong đó: m – Khối lượng thóc tươi cần sấy, m = 200 kg 29 W 1 – Độ ẩm của thóc tươi, W 1 = 27% W 2 – Độ ẩm của thóc khô thành phẩm, W 2 =13% => m W = 200 x (27 – 13) (100 – 13) = 32,18 (kg) * L ượng ẩm cần tách trong 1 giờ: g = m W /t , kg/h Trong đó: t – Thời gian sấy: t = (W 2 - W 1 ) ω (h); Với ω – Tốc độ sấy (%/h), đối với sấy đối lưu tự nhiên, chọn ω = 0,9%/h t = (27 - 13) 0.9 = 15,6 (h) ; Ta chọn thời gian sấy: t = 16 h. => g = m W /t = 32,18 / 16 = 2,01 (kg ẩm /h) * Tính toán cân b ằng nhiệt - ẩm quá trình sấy: + Tr ạng thái không khí trước collector: V ới t 1 = 30 0 C; ϕ 1 = 80%; tra phụ lục [3] có p s1 = 0,04142 bar Độ chứa ẩm của không khí tự nhiên: d 1 = 0,622. ϕ 1 P s1 P- ϕ 1 P s1 = 0,622 . 0.8x0.04241 1-0.8x0.04241 = 0,022 (kg/kgKK) Entanpi c ủa không khí tự nhiên là : I 1 = C pk . t 1 +d 1 (r+C ph .t 1 ), kJ/kgKK Trong đó: C pk ≈ 1kJ/kgKK – Nhiệt dung riêng của không khí khô; C ph ≈ 1,93kJ/kgKK – Nhiệt dung riêng của hơi nước; r ≈ 2500 kJ/kg – Nhi ệt ẩn hóa hơi của nước. => I 1 = 1. 30 + 0,022 (2500 +1,93. 30) = 86,3 (kJ/kgKK) + Tr ạng thái không khí cuối collector: Ch ọn t 2 = 70 0 C; tra phụ lục [3] có p s2 = 0,3117 bar Xem h ệ thống là kín, có d 1 = d 2 nên I 2 = C pk. t 2 +d 2 (r+ C ph .t 2 ) I 2 = 1.70 +0,022 (2500 +1,93. 70) = 127,97 (kJ/kgKK) Tính ϕ 2 = d 2 P (0,622+d 2 )P s2 .100% = 0.022x1 (0.622+0.022)x0.3117 .100% = 11 (%) + Trạng thái không khí cuối quá trình sấy: Tr ạng thái này xác định bởi I 3 = I 2 , chọn t 3 = 38 0 C, => P s3 = 0,06674 bar 30 => d 3 = I 3 - t 3 2500+1.93t 3 = 127.97- 38 2500+1.93x38 = 0,035 (kg/kgKK) ϕ 3 = d 3 P (0.622+d 3 )P s3 100% = 0.035x1 (0.622+0.035)x0.06674 . 100% = 80% + Tiêu hao không khí lý thuyết: l 0 = 1 d 3 -d 1 = 1 0.035-0.022 = 76 (kgKK/kg ẩm) Nếu xem hệ thống là kín thì lượng không khí khô cần thiết để sấy 200 kg thóc từ độ ẩm 27% đến độ ẩm 13% là: m L = m W . l 0 = 32,18 . 76 = 2445,7 (kgKK) Tra ph ụ lục [3], ta tính được tổng thể tích không khí ẩm qua collector là: V = m L .v 0 = 2445,7 . 0,951 = 2325,9 (m 3 ) => Th ể tích không khí đi qua collector trong một giây là: v = 2325,9/ 16. 3600 = 0,0404 (m 3 /s) T ỷ trọng của không khí được tính như sau: ρ = 99333 (287+462xd 1 )x(273+t 1 ) = 99333 (287+462x0,022)x(273+30) = 1,224 (kg/m 3 ) * Với các số liệu tính được, ta có: v = 0,0404 m 3 /s; ρ = 1,224 kg/m 3 ; C P = 1,005 KJ/kgKK; ∆t (kk)= 40 o C; E n , = 900 W/m 2 ; chọn η C = 0,30. Vậy diện tích của collector: A C = v.ρ.C P .∆t η C .E n = 0.0404x1.224x1.005x1000x40 0.30x900 = 7,36 (m 2 ) Do ch ọn mô hình thí nghiệm theo nguyên lý sấy hỗn hợp đối lưu tự nhiên, nên lấy di ện tích của Collector 1 (sấy gián tiếp): S 1 = 3,4m 2 ; diện tích của Collector 2 (buồng sấy tr ực tiếp): S 2 = 4m 2 * Diện tích sàn sấy: S = m/ γ. a , m 2 Trong đó: γ – Tỷ trọng của thóc, γ = 530 kg/m 3 ; a – B ề dày lớp thóc sấy, chọn a = 0,08 m. => S = 200/530 . 0,08 = 3,8 (m 2 ). Ta chọn diện tích sàn sấy là 4 m 2 . 3.3 Chế tạo mô hình thiết bị sấy thóc sử dụng NLMT, năng suất 200 kg/mẻ Hình ảnh mô hình thiết bị sấy để khảo nghiệm được thể hiện ở hình 1: 31 Hình 1. Hình nh c a mô hình kh o nghi m s y thóc 200 kg/m . 1. Tôn m k m s n en; 2. T m kính trong su t; 3. G t p dày 3 mm; 4. T m ph trong su t; 5. Khung s t V. 3.4. Khảo nghiệm Sau khi ch ế tạo mô hình, chúng tôi đã tiến hành khảo nghiệm với sản phẩm sấy là thóc t ươi (giống XL). Bề dày lớp thóc sấy là 10 cm; diện tích sấy là 4 m 2 ; độ ẩm không khí t ự nhiên 80%; nhiệt độ cao nhất trong ngày là 37 0 C, trời nắng không mưa. Hình 2. ng cong gi m m c a các l p h t. 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 8h00 9h00 10h00 11h00 12h00 13h00 14h00 15h00 16h00 8h00 9h00 10h00 11h00 12h00 13h00 14h00 15h00 16h00 T, h W,% L p trên L p gi a L p d i T Bình Ngày s y th hai Ngày s y th nh t 32 Qua 02 ngày sấy tại sân của khoa Cơ khí - Công nghệ, trường Đại học Nông Lâm Hu ế, kết quả khảo nghiệm được thể hiện ở các đồ thị sau: - Đường cong giảm ẩm của các lớp sấy theo thời gian của các lớp sấy (hình 2) K ết quả khảo nghiệm cho thấy, quá trình giảm ẩm của các lớp hạt cũng tuân theo quy lu ật. Đây là phương pháp sấy có ủ (thời gian ủ khoảng 16 giờ) nhằm tạo cho độ ẩm ở bên trong khối hạt được thoát ra ngoài. Sau ngày sấy thứ nhất, có sự sai khác về độ ẩm của các lớp hạt. Kết thúc quá trình sấy, độ ẩm giữa các lớp hạt chênh lệch không đáng kể. 30 32 34 36 38 40 42 44 46 8h00 9h00 10h00 11h00 12h00 13h00 14h00 15h00 16h00 8h00 9h00 10h00 11h00 12h00 13h00 14h00 15h00 16h00 t,oC T, h L p trên L p gi a L p d i Hình 3. th bi u th bi n thiên nhi t c a các l p h t theo th i gian. Qua các đồ thị ở hình 3 ta thấy, quy luật biến thiên nhiệt độ của các lớp hạt trong quá trình s ấy sử dụng NLMT có sai khác so với quy luật biến thiên nhiệt độ các lớp hạt trong s ử dụng các loại phương pháp sấy khác. Khi khảo nghiệm với máy sấy sử dụng NLMT ki ểu đối lưu tự nhiên ta thấy: Giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ khối hạt tăng nhanh; giai đoạn tốc độ sấy không đổi, nhiệt độ sấy tăng chậm và có quan hệ phi tuyến với thời gian do c ường độ bức xạ mặt trời biến thiên theo thời gian trong ngày. Sự sai khác nhiệt độ giữa các lớp trong ngày rất rõ rệt. Chênh lệch nhiệt độ của khối hạt so với không khí t ự nhiên tối đa đến 10 0 C. Qua quá trình khảo nghiệm trên mô hình thiết bị sấy thóc sử dụng NLMT, ta th ấy: Với hệ thống sấy hỗn hợp đối lưu tự nhiên có thể sấy được các loại hạt nông sản c ần nhiệt độ thấp, thời gian sấy dài (sấy có ủ). Hệ thống có thể nâng nhiệt độ khối hạt lên đến 45 - 54 0 C. Quá trình sấy có thể không cần đảo trộn với độ dày nhất định, do vậy, gi ảm được nhân công. S ử dụng thiết bị cũng đã tăng nhanh tốc độ sấy (16 giờ) so với phơi tự nhiên (trên 24 gi ờ) với cùng một diện tích chiếm chỗ, giảm tổn thất trong phơi sấy (không bị sâu b ọ, chim chuột phá hoại hay bụi bẩn), tránh được mưa, khống chế được nhiệt độ nên gi ảm được tỷ lệ rạn nứt ngầm của hạt, chất lượng sấy đồng đều hơn nên tăng được chất l ượng sản phẩm. Ngày s y th nh t Ngày s y th hai 33 Nhược điểm của thiết bị: Trong quá trình sấy, nhiệt độ sấy biến thiên theo thời gian trong ngày và quá trình s ử dụng phụ thuộc nhiều vào thời tiết. 4. Kết luận Sau khi tính toán, đã lựa chọn được nguyên lý và chế tạo thiết bị sấy thóc hỗn h ợp kiểu đối lưu tự nhiên với năng suất 200 kg/mẻ. Kết quả khảo nghiệm, cho thấy thiết b ị sấy NLMT có thể giảm được nhân công phục vụ, giảm được tổn thất trong quá trình s ấy so với phơi nắng tự nhiên, đặc biệt là tăng được tốc độ sấy (gấp 1,5 đến 2 lần so với s ấy tự nhiên với bề dày lớp sấy như nhau). Kết cấu thiết bị sấy đơn giản, dễ chế tạo, vật li ệu sẵn có ở địa phương. Có thể vận dụng thiết bị này để sấy các loại hạt nông sản khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Cao V n Hùng, Nguy n H u D ng, “S y và b o qu n thóc, ngô gi ng trong gia ình”, Nhà xu t b n Nông nghi p, Thành ph H Chí Minh, 2001. 2. Tr n V n Phú, Tính toán và thi t k h th ng s y, Nhà xu t b n Giáo d c, 2001. 3. Tr n V n Phú, Giáo trình k thu t nhi t, Nhà xu t b n Giáo d c, 2003. 4. Nguy n Duy Thi n, K thu t s d ng N ng l ng m t tr i, Nhà xu t b n Xây d ng, Hà N i, 2001. 5. Nguy n Công Vân, N ng l ng m t tr i – lý thuy t và ng d ng, Nhà xu t b n Khoa h c k thu t, Hà N i, 2002 6. Làm khô nông s n b ng n ng l ng m t tr i, T ch c l ng th c và nông nghi p th gi i. 7. Taylor and Francis Group, Handbook Dryer, LLC, 2006. 8. Solar dryers - their role in post – harvest processing, Commonwealth science council. RESEARCH ON PROCESS OF PADDY DRYING BY SOLAR ENERGY EQUIPMENT WITH NATURAL CONVECTION TYPE Do Minh Cuong, Phan Hoa College of Agriculture and Forestry, Hue University SUMMARY The proposed drying equipment using solar energy was designed and constructed simply with low accuracy and low cost. Material used to prepare this equipment is locally available and this can be easily made by farmers. This equipment can shorten the drying time by half comparing with natural sunlight drying under the same condition ensuring the quantity and quality of the drying paddy so that humid air may be prevented. It also can be used for drying some other agricultural products. . 27 TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 55, 2009 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH SẤY THÓC BẰNG THIẾT BỊ SẤY NĂNG LƯỢNG M ẶT TRỜI KIỂU ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN Minh C ng, Phan Hòa Tr ng. chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: Nghiên cứu quá trình sấy thóc b ằng thiết bị sấy NLMT kiểu đối lưu tự nhiên, nhằm: - Xác định mẫu thiết bị sấy thóc sử dụng NLMT phù hợp với đặc điểm nông. trạng thái của quá trình sấy hạt nông sản bằng thiết bị sấy sử dụng NLMT ki ểu đối lưu tự nhiên, làm cơ sở để thiết kế, chế tạo các thiết bị sấy NLMT. 2. Phương pháp nghiên cứu - Ph ương pháp