MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên cứu của chúng tôi nhằm đạt được 03 mục đích cụ thể sau: - Nghiên cứu hiện tượng trao đổi nhiệt trao đổi chất trong quá trình sấy bằng hệ thống sấy dùng bơm
Trang 1MỞ ĐẦU
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Sấy là một trong những biện pháp bảo quản và chế biến sản phẩm đã được sử dụng rất sớm trong lịch sử loài người Trong quá trình sấy vật liệu ẩm nói chung và nông sản nói riêng, hiện tượng diễn ra phổ biến ở đây chính là hiện tượng truyền nhiệt truyền chất liên hợp Khi nghiên cứu lý thuyết hiện tượng truyền nhiệt truyền chất liên hợp, các tác giả thường dựa vào việc giải hệ phương trình vi phân truyền nhiệt truyền chất ứng với các điều kiện đơn trị khác nhau Trong nhiều năm, người
ta đã cố gắng để làm sao cho mô hình toán học đó phản ánh được nhiều nhất các yếu tố tác động đến hiện tượng Mặc dù các công cụ tính toán đã rất phát triển nhưng khi áp dụng hay ứng dụng cụ thể còn có nhiều mặt hạn chế, đặc biệt là sự nghiên cứu ảnh hưởng của các hiện tượng qua lại lẫn nhau còn ít và chưa đầy đủ hoặc đã bỏ qua một số ảnh hưởng quan trọng mà trong thực tế vẫn diễn ra Sự ảnh hưởng của trường độ ẩm đến trường nhiệt độ trong vật liệu sấy là rất rõ, nhất là khi
kể đến ảnh hưởng của hiện tượng co ngót vật liệu trong quá trình sấy Bên cạnh đó, việc nghiên cứu ứng dụng những hệ thống thiết bị sấy hiện đại vào điều kiện ở nước
ta là một trong những đòi hỏi cấp bách do đặc thù Việt nam là một nước có nền nông nghiệp phát triển, các sản phẩm nông sản sau thu hoạch do không được xử lý kịp thời đã dẫn đến sự hao hụt và làm giảm chất lượng sản phẩm Bơm nhiệt là một trong những thiết bị có khả năng tiết kiệm năng lượng cao và đã được chứng minh bằng lý thuyết cũng như trong thực tế kỹ thuật Khi sử dụng bơm nhiệt thay cho hệ thống sấy thông thường, nó đã mang lại hiệu quả to lớn mà các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã tổng kết Tuy nhiên, bên cạnh những kết quả đã đạt được trong kỹ thuật sấy thì việc sử dụng bơm nhiệt trong hệ thống sấy vẫn còn có những vẫn đề tồn tại và phải giải quyết Hệ thống sấy bằng bơm nhiệt là hệ thống sấy ở nhiệt độ vừa phải, vì vậy thời gian sấy sẽ lớn hơn so với các hệ thống sấy thông thường và do đó việc tiêu hao năng lượng luôn là vấn đề cần quan tâm và cải thiện, nhất là trong bối cảnh năng lượng đang ngày càng cạn kiệt mà nhu cầu lại ngày càng tăng trên thế giới cũng như ở Việt Nam Mặt khác, theo động học quá
Trang 2trình sấy, lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu sấy sẽ thay đổi theo thời gian và giảm dần
ở cuối quá trình, tương ứng với nó thì nhiệt năng cần cung cấp cho vật liệu sấy cũng giảm dần trong khi hệ thống hoạt động liên tục cũng là vấn đề làm cho lãng phí năng lượng Vì vậy, việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt và vận hành hợp lý hệ thống sấy nhằm đảm bảo phù hợp với động học quá trình sấy là rất cần thiết và luôn là vấn đề thời sự nhất là ở trong hoàn cảnh nước ta
Với những yêu cầu cấp bách đặt ra như vậy, việc lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu
quá trình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kiểu bậc thang” là thực sự cấp thiết và phù hợp trong giai đoạn hiện nay ở Việt nam
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu của chúng tôi nhằm đạt được 03 mục đích cụ thể sau:
- Nghiên cứu hiện tượng trao đổi nhiệt trao đổi chất trong quá trình sấy bằng hệ thống sấy dùng bơm nhiệt kiểu bậc thang có xét ảnh hưởng của độ ẩm đến trường nhiệt độ và ảnh hưởng của sự co ngót vật liệu trong quá trình sấy
- Hiệu chỉnh phương pháp xác định thời gian sấy theo sự co ngót của vật liệu để tăng khả năng ứng dụng và độ chính xác cho phương pháp để phù hợp với hiện tượng trong thực tế
- Đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống sấy bơm nhiệt kiểu bậc thang
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đối tượng nghiên cứu ở đây là quá trình truyền nhiệt truyền chất ứng với các điều kiện sấy trong hệ thống sấy dùng bơm nhiệt và vật liệu sử dụng đại diện cho kết quả nghiên cứu là cà rốt được trồng ở miền Bắc Việt Nam
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu được lựa chọn trong luận án là phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm
Trang 3CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỂ SẤY BƠM NHIỆT VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ
TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT
1.1 MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ SẤY
1.1.1 Các phương pháp sấy cơ bản
Quá trình sấy (QTS) là quá trình nhằm tạo ra dòng dịch chuyển ẩm (dạng lỏng hoặc dạng hơi) từ trong lòng vật liệu sấy (VLS) đến môi trường tác nhân sấy (TNS) dưới tác dụng của dòng năng lượng Căn cứ vào việc cung cấp năng lượng cho VLS mà người ta có thể chia ra các phương pháp sấy khác nhau [12]:
- Phương pháp sấy nóng: Trong phương pháp sấy (PPS) nóng, VLS được đốt nóng nhờ TNS (sấy đối lưu) hoặc trường năng lượng (sấy bức xạ, điện từ…) Cũng nhờ sự đốt nóng VLS nên mật độ hơi chứa trong các mao quản của VLS tăng làm cho phân áp suất hơi nước tại bề mặt VLS cũng tăng lên Điều đó dẫn đến sự chênh lệch phân áp suất của hơi ẩm trong TNS và bề mặt VLS hay thế dẫn ẩm tăng lên và dòng dịch chuyển ẩm cũng tăng lên theo Nhờ vào nguyên tắc này mà người ta chế tạo ra các hệ thống sấy (HTS) hoặc là đốt nóng riêng VLS (HTS bức xạ, HTS dùng dòng điện cao tần, HTS tiếp xúc) hoặc là đốt nóng cả VLS và TNS (HTS đối lưu)
- Phương pháp sấy lạnh: Trong PPS lạnh, người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa TNS và VLS bằng cách giảm phân áp suất trong TNS nhờ giảm độ chứa ẩm d Như vậy, dòng ẩm có thể dịch chuyển vào TNS ở nhiệt độ lớn hơn 0oC hoặc dưới 0oC
Dựa trên nguyên tắc của PPS lạnh, người ta đã xây dựng HTS sử dụng bơm nhiệt (HTS BN) Nguyên lý hoạt động của HTS BN [8], [9], [10], [29], [31], [33] là sử dụng dàn bay hơi làm giảm nhiệt độ của TNS xuống dưới nhiệt độ đọng sương của hơi nước và từ đó ẩm được tách ra khỏi TNS Sau khi ra khỏi dàn bay hơi, TNS có nhiệt độ thấp và độ chứa hơi d đã giảm xuống nhưng độ ẩm tương đối
rất cao ( 100%) Lúc này TNS tiếp tục đi qua dàn ngưng tụ để làm tăng thế sấy
Trang 4trước khi vào thiết bị sấy (TBS), khi đó TNS có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp và phân áp suất thấp Một trong những ưu điểm của HTS BN là khả năng tiết kiệm năng lượng, điều này đã được nhiều tác giả công nhận và đánh giá cao chẳng hạn như trong [7], [8], [20], [26], [28], [29], [30], [32], [51], [57]… Các tác giả đã đánh giá việc sử dụng HTS BN là một trong những chìa khóa cho vấn đề tiết kiệm năng lượng
1.1.2 Hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt
*Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy dùng bơm nhiệt
HTS BN sử dụng máy nén hơi được dùng khá phổ biến và nguyên lý hoạt động của hệ thống này vẫn dựa trên nguyên tắc của chu trình máy lạnh nén hơi thông thường Môi chất lỏng sau khi được tiết lưu tại van tiết lưu (TL) sẽ đi vào dàn bay hơi (BH) và nhận nhiệt của TNS để biến thành pha hơi trước khi đi vào máy nén (MN) và được nén lên áp suất cao Hơi cao áp được đưa vào dàn ngưng tụ (NT) và nhờ nhả nhiệt cho TNS hơi cao áp sẽ biến thành pha lỏng Lỏng được tiết lưu lại vào dàn BH để khép kín chu trình lạnh Khi TNS đi qua dàn BH, nó được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ đọng sương và hơi ẩm trong TNS được ngưng lại trên bề mặt của dàn BH, tại đây TNS được sẽ tách ẩm Sau đó, TNS đi tiếp qua dàn NT để tăng nhiệt độ và giảm độ ẩm tương đối đến giá trị yêu cầu trước khi vào TBS Do sử dụng cả năng suất lạnh của dàn BH và năng suất nhiệt của dàn NT nên hiệu quả của
về mặt năng lượng của HTS BN rất rõ rệt Sơ đồ nguyên lý của HTS BN và quá trình biến đổi trạng thái của TNS trên đồ thị i-d được trình bày trên hình 1.1
Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý của HTS dùng bơm nhiệt
Trang 5Quá trình sấy trong HTS BN được biểu diễn trên đồ thị i-d như sau: Đầu tiên không khí ở điểm B sau TBS được cho đi qua dàn BH và làm lạnh xuống nhiệt độ dưới nhiệt độ điểm sương, một phần không khí do không tiếp xúc với bề mặt dàn
BH (bypass) nên chưa được làm lạnh xuống nhiệt độ điểm sương và chúng hòa trộn cùng không khí đã được làm lạnh và khử ẩm ở dàn BH tạo thành không khí có trạng thái ở điểm C (độ chứa hơi giảm, nhiệt độ giảm và độ ẩm 100%) Quá trình làm lạnh và khử ẩm không khí BC thực tế diễn ra trên đồ thị i-d có dạng đường cong lõm nhưng do cùng đi qua điểm B và C nên độ chênh i không đổi.Vì vậy, ở đây chúng ta có thể bỏ qua hình dáng của đường biến đổi này Khi đi qua dàn NT, dòng khí được tăng nhiệt độ và giảm độ ẩm tương đối đến điểm A trước khi đi vào TBS thực hiện quá trình sấy AB
Hiệu suất nhiệt của chu trình lạnh thường được đánh giá thông qua hệ số COP [9], [51], [73], [82]… và hiệu suất lớn nhất của nó được đánh giá bằng hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot Tuy nhiên, đối với việc ứng dụng bơm nhiệt trong HTS thì việc đánh giá hiệu quả của hệ thống thường được biết đến với hệ số SMER (Specific Moisture Extraction Rate, kg/kWh), hệ số này là tỷ số giữa lượng ẩm tách được trên một đơn vị điện năng tiêu thụ
1.1.3 Tiết kiệm năng lượng với HTS BN
Năng lượng và vấn đề sử dụng tiết kiệm năng lượng luôn là vấn đề được đặt ra hàng đầu trong sự phát triển của mỗi quốc gia, nhất là trong tình trạng tiêu thụ năng lượng ngày càng cao như hiện nay Theo Kudra và Mujumdar [65], năng lượng cho công nghiệp sấy vật liệu chiếm khoảng 10-20% tổng năng lượng dùng trong các ngành công nghiệp ở các nước đang phát triển Do đó nghiên cứu để sử dụng một cách hiệu quả năng lượng trong lĩnh vực này là rất cần thiết Bơm nhiệt theo [7], [32], [51], [52]… đánh giá là một trong những thiết bị có ưu điểm lớn trong việc sử dụng và mở rộng khả năng tiết kiệm năng lượng Trong [73] tác giả đã liệt kê 4 ưu
Lượng ẩm tách được Điện năng tiêu thụ
Trang 6điểm của HTS BN như sau:
- Mức tiêu thụ năng lượng được cải thiện do đã tận dụng được năng suất nhiệt
Mặt khác, trong [73] tác giả cũng trình bày một số hạn chế của HTS BN là:
- Trong trường hợp cần nâng nhiệt độ TNS lên cao thì cần phải có bộ gia nhiệt
bổ sung do hạn chế của môi chất lạnh
- Chi phí đầu tư ban đầu lớn
- Cần một khoảng thời gian để hệ thống đạt đến trạng thái làm việc ổn định
- Đòi hỏi bảo trì, bảo dưỡng hệ thống thường xuyên
1.2 TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU HTS BN
1.2.1 Tổng quan các kết quả nghiên cứu trên thế giới
Từ những năm đầu của thập kỷ 80, vấn đề chi phí năng lượng tăng cao đã thúc đẩy các nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng hiệu quả năng lượng Trong lĩnh vực
kỹ thuật sấy nông sản, việc sử dụng các HTS có khả năng tiết kiệm năng lượng đã được nghiên cứu và đưa vào ứng dụng thực tế Theo tác giả Mujumdar [73], năng lượng dùng cho ngành sấy chiếm đến gần 60% trong công nghiệp chế biến các sản phẩm nông sản Tác giả Strommen và cộng sự [90] cho biết HTS BN có thể giảm được khoảng 60-80% năng lượng so với các HTS truyền thống khác khi cùng hoạt động ở một dải nhiệt độ Theo thống kê, từ năm 1988 đã có khoảng 7% trong tổng
số thiết bị bơm nhiệt được ứng dụng vào kỹ thuật sấy, những HTS BN này có công suất lên đến 60 MW Năm 2006 Soylemez [88] đã trình bày nghiên cứu tính toán các điều kiện tối ưu về nhiệt độ làm việc và kích thước HTS BN nhằm giảm thiểu các chi phí ứng với tuổi thọ của HTS BN Tính đến 2009, số lượng các nghiên cứu
Trang 7về HTS BN đƣợc Colak và Hepbasli [51] tổng kết nhƣ trên hình 1.2
Hình 1.2 Biểu đồ số lượng các nghiên cứu HTS BN từ 1975-2008 [51]
Oliver [74] năm 1982 cho biết rằng SMER của HTS BN là 0,57 kg/kWh ở nhiệt
độ sấy 50oC và hệ số này sẽ tăng lên đến 1,02 kg/kWh khi nhiệt độ sấy là 80oC Sự gia tăng của SMER theo nhiệt độ cũng đƣợc Strommen và Kramer công bố trong công trình nghiên cứu [90] năm 1994 và đƣợc Kudra và Mujumdar trình bày lại trong [65] Theo đó, nếu so sánh với các loại HTS truyền thống thì SMER của HTS
BN có thế lớn hơn gấp 10 lần
Dựa trên tiêu chi đánh giá về chi phi năng lƣợng cho một HTS BN Soponronnarit [87] năm 1998 đã cho thấy mất 2,76 kWh cho 1 kg ẩm bay hơi và tổng chi phí khoảng 0,38 USD, trong đó 0,16 USD chi cho năng lƣợng, 0,04 USD cho vận hành và còn lại 0,18 USD là chi phí cố định
Achariyaviriya và cộng sự [40] đã xây dựng một mô hình toán học nhằm phân tích các ƣu điểm trên HTS BN hoạt động ở điều kiện TNS tuần hoàn kín, tuần hoàn một phần hay TNS không tuần hoàn Cuối cùng tác giả đi đến kết luận rằng hệ số hiệu quả COP sẽ giảm dần khi lƣợng bypass tăng dần ở tất cả các điều kiện tuần hoàn của TNS trong HTS BN
Trang 8Theo Chou S.K và đồng sự trong [52] và [73], HTS BN có hiệu quả rất lớn trong tiết kiệm năng lượng nhất là khi tận dụng các nguồn nhiệt thải khác nhau Trong hầu hết các PPS sử dụng trong HTS BN thì PPS cấp nhiệt đối lưu là ứng dụng rộng rãi nhất, trong đó có thể kết hợp sử dụng phương pháp sấy lớp sôi hay kiểu rô to…Khi so sánh khả năng tiết kiệm năng lượng với các HTS khác thông qua lượng tách ẩm riêng SMER, Chou S.K và Chua K.J đã làm rõ được tính hiệu quả của HTS BN Kết quả so sánh SMER của HTS BN và các HTS khác được cho trong bảng 1.1
Bảng 1.1 So sánh hiệu quả của HTS BN với các HTS khác [73]
không khí nóng
Sấy chân không
Sấy bơm nhiệt
Từ bảng 1.1 cho thấy rằng đối với HTS BN thì hệ số SMER rất cao từ 1,0-4,0 trong khi các hệ thống còn lại cho SMER thấp hơn rất nhiều Hơn nữa, nhiệt độ của TNS có thể thấp hơn nhiệt độ môi trường, điều này đặc biệt có lợi đối với các VLS đòi hỏi nghiêm ngặt về chế độ nhiệt để tránh hiện tượng phân hủy các chất dinh dưỡng, vitamin… có trong VLS
U.S Pal và M.K Khan [76] năm 2010 đã nghiên cứu sử dụng HTS BN cho hạt tiêu ở nhiệt độ TNS 30÷41oC, độ ẩm TNS < 40%, theo báo cáo hệ số SMER từ hệ thống nằm trong khoảng 0,55 ÷ 1,1 kg/kWh Lượng tiêu thụ điện của HTS BN cũng nhỏ hơn so với HTS nóng từ 1,17 ÷ 4,55 kWh
Fatouh [56] đã nghiên cứu và tổng kểt rằng đối với các loại lá thảo dược, kích
cỡ lá càng nhỏ thì càng cần ít năng lượng và thời gian sấy càng ngắn nếu sử dụng HTS BN Minea trong [71] đã đưa ra một số tổng hợp về HTS BN trên thế giới nhưsau:
Trang 9+ HTS BN sử dụng dàn ngưng phụ [41], [42] để giải bớt nhiệt ra ngoài đối với HTS BN sấy theo mẻ Theo động học QTS thì trong HTS BN sấy theo mẻ, nhu cầu cấp nhiệt cho VLS sẽ giảm dần nhưng do MN vẫn hoạt động ở 100% tải nên phải thải bớt lượng nhiệt thừa ra môi trường và lượng nhiệt này có thể chiếm đến khoảng 15-20% tổng lượng nhiệt cấp cho hệ thống [41], [42] Việc thải lượng nhiệt thừa này là vấn đề còn chưa được quan tâm triệt để, và cần phải làm rõ thêm, nhất là trong trường hợp có thể dựa vào động học QTS để nghiên cứu tiếp
+ Ở HTS BN, một trong những cách điều chỉnh để đảm bảo điều kiện tách ẩm
ổn định của hệ thống là dùng biện pháp cho dòng TNS đi tắt (bypass) qua dàn BH [54] Theo đó, tác giả cũng cho biết quan hệ giữa tốc độ của TNS và lượng ẩm tách
ra khi qua dàn BH tỷ lệ nghịch với nhau
+ Một hướng đi khác để nghiên cứu khả năng tách ẩm của HTS BN là PPS gián đoạn, Chua K.J [53] đã công bố kết quả nghiên cứu dựa trên PPS gián đoạn và cho thấy có thể giảm được đến 61% thời gian sấy (TGS) khi sử dụng PPS gián đoạn đối với khoai tây khi so sánh với trường hợp sấy liên tục
+ Ong và Law [75] năm 2009 đã cho thấy trong hầu hết các trường hợp đều có khả năng giảm TGS và chất lượng sản phẩm sấy đều được cải thiện khi sử dụng PPS gián đoạn đối với các loại rau, quả Trong tài liệu này các tác giả cũng nói rõ nếu sử dụng PPS gián đoạn thì khả năng tiết kiệm năng lượng cũng được cải thiện
do có thể giảm được TGS và không bị tổn thất năng lượng (thải nhiệt ra ngoài) khi máy ngừng hoạt động
+ Theo Minea [72], HTS BN có thể thiết kế để sấy theo mẻ và khi TNS tuần hoàn kín thì tổn thất nhiệt do rò lọt là không đáng kể Tuy nhiên, do lượng nhiệt VLS hấp thụ giảm dần nên phải có dàn ngưng phụ (NP) để giải nhiệt thừa ra ngoài Mặt khác, cũng có thể thiết kế HTS BN hoạt động liên tục kiểu băng chuyền và đối với thiết kế này cũng hứa hẹn nhiều kết quả tốt đặc biệt là đối với các sản phẩm sau thu hoạch
+ Chua K.J [55] đã đề xuất phương án sử dụng HTS BN có nhiều dàn bay hơi mắc nối tiếp (multi-stage series evaporator) với 1 MN Đây là sự phát triển của một kết quả nghiên cứu trước đây của Perry năm 1981 [77] Nhược điểm của HTS BN
Trang 10này là do mắc nối tiếp nên tổn thất áp suất của dòng TNS khi qua các dàn BH này
sẽ làm cho sự điều khiển quá trình khử ẩm phức tạp hơn so với trường hợp chỉ có một dàn BH Tuy nhiên, cũng có thể sử dụng 2 dàn BH này cho 2 TBS độc lập nhau
và cũng có thể sử dụng để sấy 2 loại VLS khác nhau vì chúng có thể tạo ra TNS có nhiệt độ và độ ẩm khác nhau như [53], [54], [55] đã ứng dụng khi sấy nông sản Trong một số ngành công nghiệp, người ta đã sử dụng phương pháp này [77], [53], [54], [55] và gần đây 2011 Minea [71] đã chỉ ra rằng với HTS BN mắc dàn BH song song rất phù hợp cho các HTS có yêu cầu nhiệt độ và độ ẩm khác nhau của TNS (mỗi TBS độc lập sẽ có một nhiệt độ và độ ẩm của TNS khác nhau)
+ Một cách tiếp cận khác là nghiên cứu HTS BN với 2 chu trình lạnh độc lập hoạt động cùng với một dòng TNS đã được Lee năm 2008 [66] giới thiệu Hệ thống này sử dụng 2 chu trình lạnh với hai loại môi chất khác nhau đó là R134a và R124 TNS sẽ đi qua lần lần lượt từ dàn BH của chu trình R124 đến dàn BH của chu trình R134a nhưng lại đi đến dàn NT của chu trình R134a trước khi đi đến dàn NT của chu trình R124 và cuối cùng đi vào TBS Đối với chu trình sử dụng R134a, khi TNS
đã được giảm nhiệt độ qua dàn lạnh dùng R124 thì khi đến dàn lạnh dùng R134a, môi chất lạnh phải bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn dẫn đến hệ số COP của chu trình dùng R134a bị giảm đi Cùng lúc đó thì nhiệt độ TNS vào dàn NT của chu trình R124 sẽ tăng lên và cũng làm cho nhiệt độ ngưng tụ của R124 tăng lên tức là COP của chu trình này cũng bị giảm
+ Trong [37], các tác giả đã giới thiệu HTS BN sấy liên tục các sản phẩm như sâm, các loại rau thơm…Giá trị SMER theo báo cáo nằm trong khoảng từ 0,06 đến 0,61 kgâ/kWh Lượng điện tiêu tốn khoảng 190kW, TGS mất khoảng 5 ngày để giảm độ ẩm tương đối của củ sâm xuống dưới 10% Trong khi đó, với HTS sử dụng điện trở gia nhiệt thì thời gian mất 14 ngày và điện tiêu thụ khoảng 244kW Như vậy, năng lượng tiết kiệm được 23% và TGS giảm đi 64%
Kết quả nghiên cứu HTS BN của một số năm gần đây được trình bày trong bảng 1.2
Trang 11Bảng 1.2 Tổng hợp các nghiên cứu về HTS BN trên thế giới [51],[76],[78],[94]
Độ ẩm tương đối VLS đầu/cuối
Trang 12Ngoài ra còn một số phương pháp kết hợp sử dụng bơm nhiệt với năng lượng mặt trời, bơm nhiệt với vi sóng, hồng ngoại, địa nhiệt [52], [54], [65]…
Các công trình nghiên cứu trên đây chủ yếu tập trung vào việc ứng dụng và nâng cao khả năng làm việc của HTS BN mà trong đó các tác giả cũng chưa đưa ra được một quy trình hợp lý khi vận hành hệ thống của mình Hầu hết chỉ tập trung đến việc xác định các điều kiện làm việc phù hợp hoặc là công bố sự so sánh về chất lượng giữa các HTS với nhau Đối với HTS BN nếu hoạt động để tạo ra TNS
có nhiệt độ thấp thì rất có lợi đối với những nhóm VLS không chịu được nhiệt độ cao nhưng chi phí vẫn cao hơn so với việc sử dụng HTS khác Tuy nhiên, nếu yêu cầu TNS có nhiệt độ cao thì HTS BN có chi phí giảm hơn rất nhiều so với các HTS khác
1.2.2 Kết quả nghiên cứu về sử dụng HTS BN ở Việt Nam
Ở Việt Nam, một trong những HTS BN được chế tạo lần đầu tiên phải kể đến là HTS BN do tác giả Nguyễn Đức Lợi và Phạm Văn Tùy đề xuất khi sấy kẹo Jelly cho Công ty bánh kẹo Hải Hà [8], theo đó, TNS cần duy trì ở nhiệt độ 20oC đến
25oC, độ ẩm 18% đến 22% Trong tài liệu [28] Phạm Văn Tùy cùng cộng sự đã công bố hiệu quả của HTS BN ở Công ty bánh kẹo Hải Hà, với công suất 1100 kg/ngày, khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS này khi tách ẩm lên tới khoảng 58% (từ 11,49 kWh/kg xuống còn 4,67 kWh/kg) Đầu năm 1998, cũng chính nhóm tác giả này đã tiến hành lắp đặt HTS BN thứ 2 ở đây với công suất 1400 kg/ngày Tiếp tục năm 1999 một hệ thống máy hút ẩm hỗ trợ cho dây chuyền chế biến và hút
ẩm của CHLB Đức cải tạo từ máy điều hòa không khí cũ cho phân xưởng kẹo caramen và một hệ thống BN hút ẩm 16.000 BTU/h cho xưởng kẹo cứng cơ sở Hà Nội, Công ty Bánh kẹo Hải Hà cũng đã được lắp đặt thành công
Phạm Văn Tùy cùng các cộng sự trong [30] đã ứng dụng HTS BN để sấy các loại nông sản như cà rốt, hành tây, củ cải, thì là Các sản phẩm sấy này đã được Viện Khoa học công nghệ Thực phẩm Bộ Công nghiệp đánh giá theo các chỉ tiêu chất lượng và công nghệ, đồng thời đánh giá so sánh với phương pháp sấy nóng truyền thống và phương pháp sấy bằng tia hồng ngoại do Viện thực hiện trên cùng loại mẫu sấy ban đầu Chỉ tiêu đánh giá của các PPS được giới thiệu trong bảng 1.3
Trang 13Bảng 1.3 So sánh chất lượng sản phẩm sấy bằng bơm nhiệt với phương pháp sấy
nóng truyền thống và sấy hồng ngoại [30]
Nguyên
liệu PPS
Điểm các chỉ tiêu cảm quan
Điểm c.lượng cảm quan chất lượng Nhận xét
cảm quan
Khả năng bảo tồn vitamin C
%
Độ ẩm cuối
%
TGS
h Màu sắc
(x1.5)
T.thái (x1)
Mùi vị (x1.5)
Hồng
Xanh thẫm, xốp, thơm
bơm
Xanh tự nhiên, xốp thơm
Hồng
Xanh tối, xốp, kém thơm
Bơm
Xanh tự nhiên, thơm mạnh
Từ bảng 1.3 dễ dàng thấy rằng tuy TGS bằng bơm nhiệt dài hơn so với phương pháp sấy truyền thống và phương pháp sấy hồng ngoại hiện đại nhưng các chỉ tiêu chất lượng và chỉ tiêu cảm quan đối với tất cả các vật liệu sấy vẫn cao hơn, đây cũng là ưu điểm cơ bản của PPS bằng bơm nhiệt Ví dụ như sản phẩm sấy bằng
Trang 14bơm nhiệt vượt trội hơn hẳn các phương pháp khác về chất lượng cảm quan và có khả năng giữ vitamin C tốt hơn Điều này cũng đồng nghĩa với chất lượng dinh dưỡng của sản phẩm sấy đạt chất lượng, màu sắc và hương vị tự nhiên được tốt hơn…
Phạm Văn Tùy cùng các đồng sự năm 2007 [33] đã tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sấy sử dụng bơm nhiệt cho các loại nông sản và cải tiến chế tạo các kiểu HTS dùng bơm nhiệt BK-BSH18A, BK-BSH18B và BK-BSH 1.4 Trong kết luận của báo cáo này, các tác giả đã chỉ ra rằng khả năng ứng dụng rộng rãi của HTS sử dụng bơm nhiệt ở điều kiện khí hậu nóng ẩm như Việt Nam và bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những sản phẩm cần giữ trạng thái, màu, mùi, chất dinh dưỡng và không cho phép sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ gió lớn Tuy nhiên thời gian sấy và giá thành nói chung vẫn cao hơn sấy nóng và vì vậy, nếu không cần thiết phải sấy lạnh thì chỉ cần sấy nóng và nếu sấy nóng bằng bơm nhiệt thì giá thành sẽ rẻ hơn rất nhiều
Theo [34], trên cơ sở phân tích hiệu quả năng lượng của HTS BN có tên là BSH 1.4 theo phương pháp Excergy và cân bằng năng lượng, Phạm Văn Tùy và đồng sự đã rút ra kết luận đối với các loại rau quả thực phẩm sau thu hoạch nên vận hành trong khoảng nhiệt độ bay hơi từ -5 đến 0C, nhiệt độ ngưng tụ từ 36oC đến
BK-38C (tương ứng với nhiệt độ không khí trong buồng sấy từ 26oC đến 28oC) Các tổn thất exergy lớn nhất trong hệ thống là dàn BH, hệ thống gia nhiệt (dàn NT trong
và quạt), hệ thống giải nhiệt (dàn NT ngoài và quạt) và máy nén
Hoàng Ngọc Đồng , Lê Minh Trí trong [4], đã tiến hành nghiên cứu sấy cà rốt trên HTS BN và khảo sát ảnh hưởng cấu tạo của dàn BH đến khả năng tách ẩm và khả năng sấy của HTS HTS ở đây được cấu tạo từ 2 dàn BH mắc song song có cùng một nhiệt độ sôi Kết quả cho thấy khi sử dụng 2 dàn BH có khả năng tách ẩm lớn hơn nhiều so với trường hợp sử dụng một dàn BH
Phạm Anh Tuấn [26], [27] đã công bố kết quả nghiên cứu đánh giá phạm vi nhiệt độ phù hợp đối với TNS khi dùng bơm nhiệt sấy đối lưu cho đối tượng rau quả trong phạm vi t = 40oC÷50oC trong điều kiện khí hậu Việt nam Trong trường hợp sử dụng bơm nhiệt tuần hoàn kín với TBS dạng thùng quay thì hệ số SMER
Trang 15tăng lên nhiều hơn so với trường hợp sấy tĩnh Theo tác giả này thì nếu sử dụng biện pháp làm nguội TNS trước quá trình làm lạnh bằng một hệ thống làm mát độc lập thì có thể tiết kiệm được năng lượng hơn so với trường hợp sử dụng thiết bị ngưng
tụ phụ, chẳng hạn đối với tỏi tăng 9,6% và cà rốt tăng 12,2%
Võ Mạnh Duy và Lê Chí Hiệp [3] cũng giới thiệu nguyên tắc sấy thùng quay cho HTS BN để sấy cà rốt Theo kết qua nghiên cứu, các tác giả đã cho biết ở tốc độ TNS 2,5 m/s, số vòng quay 15 vòng/phút, khối lượng sấy ban đầu 4,5 kg mô hình đạt hiệu suất tách ẩm cao, vận hành ổn định và hiệu quả hơn, sản phẩm sấy giữ được màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dưỡng, hình dạng tốt hơn so với các phương pháp sấy thông thường
Năm 2010, tác giả Phan Thị Hồng Thanh và đồng sự đã nghiên cứu hợp lý chế
độ sấy lạnh hành tây trên máy bơm nhiệt BK - BSH 1.4 [20] Kết quả cho thấy các thông số ảnh hưởng lớn nhất đến chế độ sấy để tiến hành nghiên cứu tối ưu là: khối lượng VLS, tốc độ TNS, nhiệt độ TNS và hệ số bypass
Cũng trong năm 2010, các tác giả trong [19] đã nghiên cứu ảnh hưởng của việc
bố trí dàn BH đến khả năng tách ẩm ra khỏi TNS HTS được sử dụng ở đây có 01 máy nén, 02 dàn BH mắc song song theo đường tuần hoàn môi chất lạnh (có cùng nhiệt độ sôi) và mắc nối tiếp theo đường tuần hoàn TNS Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng tách ẩm của hệ thống này lớn hơn so với trường hợp chỉ có 01 dàn
BH
Gần đây, Nguyễn Mạnh Hùng [5] 2012 đã trình bày phương án xây dựng HTS
BN sử dụng chu trình lạnh 2 nhiệt độ sôi Với phương án sấy gián đoạn hay sấy có thời gian ủ khác nhau có thể tiết kiệm được gần 30% năng lượng so với cách sấy thông thường
Qua các nghiên cứu trên thấy rằng việc nghiên cứu sử dụng bơm nhiệt để chế tạo HTS là một hướng đi rất phù hợp với thực tế hiện nay Chúng gợi mở ra được một trong những phương pháp giảm thiểu chi phí năng lượng cho QTS, tăng cao chất lượng sản phẩm Tuy vậy, việc tiến hành nghiên cứu làm sao để sử dụng HTS
BN một cách hiệu quả và giảm thiểu chi phí năng lượng cho QTS vẫn rất cần quan tâm nhất là trong điều kiện ở nước ta việc áp dụng HTS BN vẫn còn mới mẻ Có thể
Trang 16thấy rằng việc nghiên cứu khả năng tiết kiệm thông qua điều chỉnh lượng TNS bypass, bố trí nhiều dàn bay hơi, hay gần đây là trong [5] tác giả đã đề cập đến PPS
gián đoạn khi sấy khoai tây dạng thái lát… vẫn còn vấn đề cần nghiên cứu mà các tác giả chưa đề cập đầy đủ, ví dụ như nghiên cứu đưa ra được chế độ vận hành hợp
lý cho HTS BN Nói cách khác là có thể thải lượng nhiệt thừa ra khỏi hệ thống kín một cách hợp lý nhằm đảm bảo được việc cấp nhiệt đáp ứng được tốt nhất cho VLS
mà vẫn tránh được sự lãng phí năng lượng Để đáp ứng được điều này thì rất cần phải nghiên cứu động học QTS của vật liệu nhằm tìm ra điều kiện phù hợp cho quá trình cấp cũng như thải nhiệt ra môi trường
1.3 MỘT SỐ VẤN ĐỀ TNTC TRONG VẬT LIỆU SẤY
1.3.1 Quy luật dịch chuyển nhiệt - ẩm trong lòng vật liệu
Các dòng dịch chuyển trong VLÂ khi quá trình sấy diễn ra thường rất phức tạp Khi nghiên cứu các hiện tượng này, người ta [1], [12], [15] đã chứng minh rằng khi dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm dù được xem xét riêng rẽ hay liên hợp thì QTS đều là các quá trình không thuận nghịch Hệ phương trình viết cho trường hợp dẫn nhiệt và khuếch tán sử dụng quan hệ truyến tính Onzager có dạng [12], [13], [67]:
21 22
21 2
2 12 2
11 12
11 1
LTT
L1
LT
1LJ
LTT
L1
LT
1LJ
(1.1)
Với J1, J2 lần lượt là dòng nhiệt và dòng ẩm, các hệ số hiện tượng Lmn (với m, n
= 1,2)là các hệ số có quan hệ ràng buộc với nhau theo biểu thức đối xứng:
Mặt khác theo định luật nhiệt động 2 người ta cũng xác nhận rằng ảnh hưởng của L12, L21 luôn chỉ là ảnh hưởng phụ đến các quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán do chúng luôn thỏa mãn điều kiện:
Nếu xem dẫn nhiệt và khuếch tán riêng rẽ nhau, hay L12 = L21 = 0 thì từ (1.1) ta rút ra được định luật Fourier về dẫn nhiệt và định luật Fick về khuếch tán
Trang 17Mô hình được xây dựng trên cơ sở số liệu đo đạc từ thực nghiệm (nhiệt độ, độ
ẩm, tốc độ…), sau khi có kết quả thực nghiệm ta tiến hành hồi quy thực nghiệm và tìm ra quan hệ của các đại lượng Trong QTS thì quan hệ giữa độ chứa ẩm M và thời gian luôn là đối tượng cần xác lập quan hệ, quan hệ phổ biến nhất thường được sử dụng để mô tả QTS có dạng:
M M
M M
M R
e 0
Trong đó: MR - độ chứa ẩm không thứ nguyên
M0 - độ chứa ẩm ban đầu , kgâ/kgVLK
Me - độ chứa ẩm cân bằng, kgâ/kgVLK
M - độ chứa ẩm ở thời điểm , kgâ/kgVLK
k - hằng số sấy, 1/s Quan hệ (1.6) thu được dựa trên cơ sở của định luật Fick, bỏ qua ảnh hưởng co ngót vật liệu, giả thiết hệ số khuếch tán ẩm không đổi và sấy trong điều kiện đẳng nhiệt Do đó khi nhiệt độ VLS thay đổi, vật liệu co ngót (CN) trong QTS và hệ số khuếch tán ẩm thay đổi theo nhiệt độ thì mô hình (1.6) không còn đúng nữa Đặc biệt là trong QTS gradien nhiệt độ (gradT) và gradien độ chứa ẩm (gradM) tăng dần theo thời gian và tọa độ trong trong VLS, mô hình thực nghiệm (1.6) không thể hiện được và đây chính là hạn chế của mô hình này
1.3.2.2 Mô hình truyền nhiệt truyền chất
Dịch chuyển ẩm trong VLS do dòng nhiệt từ môi trường tác động vào thông thường bao gồm quá trình khuếch tán ẩm dạng lỏng từ trong lòng ra bề mặt của VLS và quá trình bay hơi ẩm từ bề mặt ra môi trường bên ngoài Hệ phương trình
Trang 18miêu tả hiện tượng này với điều kiện không có nguồn sinh ẩm, không có nguồn sinh nhiệt, không có phản ứng hóa học trong lòng VLS và bỏ qua ảnh hưởng của áp suất toàn phần viết cho tấm phẳng có dạng [1], [2], [12], [15], [67]:
MataM
Matat
2 22 2 21
2 12 2 11
a11
;
C
r D
a12
; a21 D; a22 D
với D là hệ số khuếch tán ẩm; là hệ số gradien nhiệt độ ; là tiêu chuẩn biến pha;
a là hệ số khuếch tán nhiệt; r là nhiệt ẩn hóa hơi của nước
Mô hình dạng (1.7) đã được nghiên cứu rất kỹ và được A.V Luikov giải với các loại điều kiện đơn trị khác nhau [67] Tuy nhiên mô hình (1.7) đã bỏ qua ảnh hưởng của hiện tượng CN trong vật liệu trong khi hiện tượng này xảy ra gần như là đối với hầu hết các loại VLÂ Điều này kéo theo là sự thay đổi của các thông số như a, D…
1.3.2.3 Một số mô hình toán nghiên cứu hiện tượng co ngót VLS
Đối với các loại VLÂ có độ ẩm cao, khi độ ẩm thay đổi thì khả năng làm biến đổi hình dạng hay CN là hoàn toàn có thể xảy ra Theo Wang và Bremman [92], CN
có thể là do sự giảm độ ẩm trong VLS, khi lượng ẩm giảm xuống thì một phần thể tích do lượng ẩm này chiếm chỗ sẽ bị mất đi và sẽ dẫn đến thể tích của VLS bị giảm xuống Wang và Bremman [92] đã đề xuất mô hình mô tả hiện tượng truyền nhiệt truyền ẩm trong lát khoai tây khi có kể đến ảnh hưởng của co ngót như là sự sụt giảm thể tích của khoai tây khi lượng ẩm giảm dần nhưng với giả thiết rằng hình dạng của VLS vẫn không đổi trong toàn bộ QTS Trong [93], Wang cùng các đồng nghiệp đã biểu diễn sự thay đổi chiều dày của VLS theo độ chứa ẩm từ số liệu thực nghiệm dưới dạng tuyến tính:
trong đó là chiều dày VLS, A và B là các hệ số thực nghiệm, M là độ chứa ẩm trung bình Tương tự, Quiroz và cộng sự [79] cũng xây dựng quan hệ giữa sự thay đổi bán kính trung bình r theo bán kính ban đầu r0 của chuối sấy với độ chứa ẩm
Trang 19trung bình M thông qua biểu thức:
0 2
0 0
4,0M
M6,0V
Vr
Cũng với việc xem xét nghiên cứu bổ sung hiện tượng CN vào hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất (TNTC) mà Hadrich và Kechaou [58] đã biểu diễn quan hệ tuyến tính giữa khối lượng riêng vật liệu khô s và khối lượng riêng của vật liệu khi chất đống b theo độ chứa ẩm M đối với khoai tây là:
Có thể thấy rằng đối với các công thức từ (1.8) đến (1.12) là các công thức cần được xác định từ thực nghiệm nên đây cũng vẫn là một hạn chế của hướng nghiên cứu này Và thực tế việc áp dụng những kết quả nảy chỉ đảm bảo chính xác khi mà các điều kiện tính toán tương đồng với điều kiện thí nghiệm
Trang 20Như vậy có thể thấy rằng việc xét đến ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS khi nghiên cứu QTS vật liệu ẩm là điều không thể bỏ qua để có thể đảm bảo kết quả nghiên cứu có khả năng áp dụng một cách thực tế
1.3.3 Một số phương pháp xác định TGS
Trong tính toán thiết kế hệ thống sấy (HTS), việc xác định TGS là một vấn đề quan trọng nhằm đảm bảo chất lượng của sản phẩm ở cuối quá trình sấy cũng như tối ưu quá trình vận hành hay dây chuyền công nghệ Do đó, đây là một nhiệm vụ quan trọng và không thể thiếu trong mỗi thiết kế HTS TGS là đại lượng chịu sự tác động của rất nhiều yếu tố như loại VLS, hình dáng kích thước của vật liệu, độ ẩm ban đầu và độ ẩm cuối, loại thiết bị sấy, phương pháp cung cấp nhiệt, chế độ sấy (nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc của tác nhân sấy) v.v Chính vì thế mà rất khó có thể xác định chính xác đại lượng này bằng giải tích hay theo kinh nghiệm vận hành Có thể điểm qua một số phương pháp xác định TGS đã và đang được sử dụng trong kỹ thuật sấy hiện nay như sau:
1.3.3.1 Phương pháp lý thuyết ết hợp thực nghiệm:
Nội dung của phương pháp này là dựa vào các kết quả nghiên cứu giải tích đã được đơn giản nhờ những giả thiết trên cơ sở phân tích động học QTS và sau đó kết hợp với thí nghiệm để tìm ra một biểu thức tường minh cho phép xác định TGS trong một trường hợp cụ thể nào đó Phổ biến và tiêu biểu cho phương pháp này là của A.V Luikov và G.K Phylonhenko [1], [12] Tuy nhiên, cả hai phương pháp cũng phạm phải sai số do việc bỏ qua nhiều điều kiện thực tế khi tìm nghiệm của bài toán khuếch tán ẩm cũng như không tính đến thời gian đốt nóng vật Nội dung của phương pháp này như sau:
a Phương pháp của Luikov
Theo Luikov [12], [67], khi bỏ qua giai đoạn đốt nóng thì tổng TGS của vật bao gồm 2 giai đoạn, đó là thời gian của giai đoạn tốc độ sấy không đổi 1 (trong giai đoạn này nhiệt độ của vật hầu như không đổi nhưng độ ẩm trung bình tích phân wtb
= f() giảm rất nhanh và có quan hệ với thời gian được coi là tuyến tính) và thời gian của giai đoạn tốc độ sấy giảm dần 2
Trang 21e 3
e dx
e 1 2 1
w w
w w ln 1 N w w
1 N
w w
(1.13)
trong đó: w1, wdx, w3, we lần lượt là độ ẩm tương đối của VLS ở thời điểm ban đầu,
ở cuối giai đoạn tốc độ sấy không đổi, ở cuối QTS và cân bằng của VLS; N là tốc
độ thoát ẩm hay còn gọi là tốc độ sấy của quá trình tốc độ sấy không đổi
Một cách gần đúng khi bỏ qua sự thay đổi độ ẩm của vật trong giai đoạn đốt nóng thì có thể lấy độ ẩm bắt đầu QTS tốc độ không đổi bằng độ ẩm ban đầu của vật w1 = w0 Phương pháp của Luikov có một số hạn chế sau:
- Chỉ áp dụng được cho những vật liệu có kích thước nhỏ (đảm bảo giai đoạn đốt nóng rất ngắn và có thể bỏ qua)
- Việc tuyến tính hóa đường cong sấy làm cho độ chính xác của kết quả đã giảm
đi đáng kể Điều này là nguyên nhân gây sai số lớn
b Phương pháp của G.K Phylonhenko
Phylonhenko [1], [12] đã thấy rằng tỷ số giữa tốc độ sấy trong giai đoạn tốc độ sấy giảm dần và tốc độ sấy trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi tính như cách của Luikov có thể biểu diễn chung cho cả QTS ở dạng:
Trang 22Bảng 1.4 iá tr thực nghiệm trong biểu thức 1.15 [12]
hệ tuyến tính bằng quan hệ hàm mũ gần với thực tế hơn
c Phương pháp đồ th ác đ nh TGS
A Sahin và I.Dincer trong [86] đã trình bày một phương pháp đồ thị để xác định TGS Nội dung của phương pháp dựa vào nghiệm giải tích chính xác của quá trình khuếch tán ẩm theo định luật Fick được lấy tương tự như nghiệm của quá trình dẫn nhiệt theo Fourier Theo hướng đó, phạm vi nghiên cứu được các tác giả giới hạn theo tiêu chuẩn Bi nằm trong khoảng từ 0 đến 100, và chấp nhận một số giả thiết như sau: 1 Các tính chất nhiệt vật l của vật liệu không đổi; 2 Bỏ qua ảnh hưởng của trường nhiệt độ đến trường độ ẩm; 3 Khuếch tán ẩm chỉ xảy ra một chiều Lúc này phương trình vi phân khuếch tán được biểu diễn dưới dạng:
Trang 23e 0
e
M M
M M
M R
- độ chứa ẩm không thứ nguyên
M - hệ số trao đổi chất tại bề mặt, m/s
R - kích thước xác định, m Nghiệm của (1.16) với điều kiện (1.17) đã được giải và viết như sau:
Bi A
2 M
Trang 24được bằng cách lấy logarit tự nhiên hai vế của (1.22):
ln
R ln( R )
A Fo
Trong (1.23), nếu gọi khoảng thời gian FoM tương ứng với độ chứa ẩm ở tâm MRc =
1 là thời gian trễ LT (khoảng thời gian cần thiết để quá trình làm giảm độ ẩm xuống 0,5, 0,25 bắt đầu) ta có:
Như vậy, Fo sẽ tính được từ (1.27):
* t ơng an c a iệ t th c nghiệm QTS:
Biểu thức xác định độ chứa ẩm không thứ nguyên ở tâm vật được viết lại dưới dạng hàm số của hằng số sấy k (1/s) và hệ số trễ S [86]:
Trang 25Hình 1.3 Đồ th ác đ nh thời gian sấy của tấm phẳng
a Quan hệ LT - A theo (1.24); b Quan hệ 2
– A theo (1.21)
c Quan hệ 2
– lg(Bi) theo (1.19c); d uan hệ lg HT) – lg(Bi) theo (1.26);
Đồ thị trên được Sahin và Dincer [86] xây dựng trong phạm vi giới hạn của giá trị Bi: 0,1 < Bi < 100 -1 < lg(Bi) < 2 và như vậy 1 < A < 1,3
Cuối cùng, các tác giả đã trình bày các bước để xác định TGS tấm phẳng theo phương pháp đồ thị là:
- Các giá trị hệ số trao đổi chất M, hệ số khuếch tán ẩm D, độ chứa ẩm tại tâm
ở cuối QTS MRc và kích thước xác định của tấm phẳng R đã biết
- Tính tiêu chuẩn BiM theo M
M
R Bi
D
, từ đó xác định được HT, 2 lần lượt theo đồ thị (d) và (c)
S
S
Trang 26hệ số khuếch tán ẩm D Hạn chế của phương pháp là coi độ chứa ẩm ở tâm chính là
độ chứa ẩm cuối QTS và khi giá trị này giảm xuống đến một giá trị cho trước theo yêu cầu thì có thể xem như QTS hoàn tất Điều đó làm cho độ chính xác của kết quả giảm xuống
1.3.3.2 Phương pháp thực nghiệm:
Phương pháp này dựa trên số liệu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm cho một VLS cụ thể ở một TBS nào đó và theo các chế độ sấy nhất định Phương pháp này được trình bày trong [12]:
- I.V Krechetov đã thực hiện thí nghiệm sấy gỗ có chiều dày < 50 mm, sấy đối lưu không khí nóng ở nhiệt độ 60 250oC, tốc độ 5 m/s, nếu lấy độ ẩm cân bằng làm gốc tọa độ thì thời gian sấy được tính theo biểu thức:
1 1 , 5 0
(1.32)
- Milton Cano cùng các đồng sự (2004) trong [50] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm sấy chuối ở 50oC, 60oC và 70oC ở tốc độ TNS 1,5 m/s và độ ẩm theo cơ sở ướt của chuối dạng lát cuối quá trình trong khoảng từ 20 25% Biểu thức tính thời gian sấy theo cơ sở ướt của độ chứa ẩm Mw như sau:
Trang 270 w
w
M
MlnK
1.3.3.3 Phương pháp lý thuyết tương tự:
Trần Văn Phú lần đầu tiên giới thiệu một phương pháp giải hệ (1.7) thông qua một công cụ toán học do chính tác giả phát triển và được gọi là Đại số Jordan riêng Nội dung cơ bản của phương pháp này là đưa hệ (1.7) về dạng vector ma trận, sau
đó giải trên không gian ma trận đó rồi chuyển lại nghiệm về dạng nguyên thủy Với kết quả trong công trình [13], có thể phát triển nhiều ứng dụng trong nghiên cứu động học QTS, một trong những ứng dụng đó là ứng dụng tính tương tự của hiện tượng truyền nhiệt và truyền ẩm nhằm xác định TGS Nội dung cơ bản của phương pháp này như sau:
a Cơ sở lý thuyết của phương pháp tương tự:
Theo nhiệt động học các quá trình không thuận nghịch thì quá trình khuếch tán
ẩm và dẫn nhiệt trong VLS luôn có ảnh hưởng qua lại lẫn nhau Hệ phương trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm liên hợp một chiều không thứ nguyên có dạng [13], [14]:
2 2 2 22 2 1 2 21 2
2 2 2 12 2 1 2 11 1
X
a X
a Fo
X
a X
a Fo
Trang 28aa(e);
a
aa(1,e
21
22 2 a2 12
11 1 a1
X
Ω'A'Fo
’ = (’1, ’2) = ’1.ea1+’2.ea2 (1.38) hay:
2 12
11 1 1 1 2 21
22 2 1
a
aaΩΩ'
;
Ωa
aaΩ
a
aa
sẽ có thứ nguyên
thế dẫn ẩm hay độ ẩm Với thế hỗn hợp (1.38), (1.39) thì biến đổi tuyến tính (1.37)
sẽ tương đương với 2 phương trình độc lập nhau dạng dẫn nhiệt:
2 2 2 2 2
2 1 2 1 1
X
Ω'aFoΩ'
X
Ω'aFoΩ'
2 1 2 1
X
Ω Lu Fo Ω
X
Ω Fo
Trang 29Ở đây tiêu chuẩn Luikov: Lu = D/a (a là hệ số khuếch tán nhiệt; D là hệ số khuếch tán ẩm) và nếu đặt tiêu chuẩn FoM = (D.)/R2 thì hiện tượng khuếch tán ẩm trong (1.41) có thể viết lại dưới dạng sau:
2 2 2
M
2
X
ΩFo
Như vậy, nghiệm tổng quát của bài toán khuếch tán ẩm khi xét độc lập hay có
kể đến ảnh hưởng của dẫn nhiệt đều lấy dạng nghiệm tổng quát của bài toán dẫn nhiệt Hơn nữa, nếu các điều kiện đơn trị của bài toán khuếch tán ẩm trong trường hợp có kể đến hoặc không kể đến ảnh hưởng của dẫn nhiệt thì nghiệm của bài toán khuếch tán ẩm có cùng dạng với nghiệm phương trình dẫn nhiệt Nói cách khác, khi
đó nghiệm của phương trình dẫn nhiệt và nghiệm của phương trình khuếch tán ẩm trong cả 2 trường hợp có dáng điệu như nhau, chúng chỉ khác nhau một hệ số nào
đó Đây là một con đường chứng minh sự tương tự giữa dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm đơn giản nhưng rất chặt chẽ về mặt toán học và đã có nhiều ứng dụng lý thuyết này trong việc giải quyết bài toán dẫn nhiệt và truyền ẩm liên hợp Dựa trên việc chứng minh sự tương tự này, tác giả Trần Văn Phú đã đề xuất một phương pháp mới để tính toán xác định TGS
Do hai quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm tương tự nhau nên ta có thể xem tỷ
lệ giữa lượng nhiệt vật nhận trong thời gian từ 0 và 0 Q(0,)/Q(0,) đồng nhất với tỷ lệ giữa lượng ẩm vật thoát ra trong thời gian từ 0 và 0M(0,)/M(0,) Điều này đã giải quyết được vấn đề phức tạp nhất của phương pháp giải tích khi xác định TGS mà lâu này còn gặp nhiều khó khăn Sau đây chúng tôi xin trình bày nội dung của phương pháp tương tự xác định TGS một cách tổng quát như sau
Nội dung của phương pháp tương tự:
1 Xác định tính tương tự về mặt toán học của bài toán dẫn nhiệt với bài toán khuếch tán ẩm tương ứng trong chế độ sấy cần xác định TGS
2 Tìm quan hệ Q(0,)/Q(0,) của bài toán đốt nóng hay làm nguội của bài toán dẫn nhiệt tương tự được xác định trong bước 1 Với Q(0,), Q(0,) lần lượt là nhiệt lượng mà vật nhận được hoặc mất đi trong khoảng thời gian (0, ) và (0,)
Trang 303 Đồng nhất quan hệ sau:
Q(0,)/Q(0,) M(0,)/M(0,) (1.43) Trong đó Q(0,)/Q(0,) được xác định từ nghiệm của phương trình dẫn nhiệt với điều kiện biên loại 3 đối xứng [11], [60]
4 Xác định FoM từ quan hệ (1.43) ở trên và từ đó tìm được TGS
Phương pháp trên đã được ứng dụng thành công trong nhiều công trình trong thời gian gần đây Khi sử dụng phương pháp này đế tính toán xác định TGS gỗ keo tai tượng, các tác giả [17] đã cho biết sai số TGS so với thực nghiệm từ 1,56% -8,03% Bùi Trung Thành năm 2011 [21] đã ứng dụng phương pháp tương tự để xác định TGS muối tinh khi sấy tầng sôi liên tục cho thấy sai số so với thí nghiệm là 12% Nguyễn Mạnh Hùng năm 2012 [5] cũng đã phát triển và giới hạn phạm vi sử dụng của phương pháp này đối với VLS là khoai tây dạng thái lát thông qua tiêu chuẩn BiM lớn nhất và nhỏ nhất, chiều dày giới hạn của lát khoai tây….Tuy nhiên, trong các công trình này chưa đề cập đến vấn đề co ngót của VLS, một hiện tượng phổ biến xảy ra trong QTS thực tế và luôn là vấn đề cần được xem xét giải quyết
2 Nghiên cứu hiệu chỉnh cách tính TGS theo phương pháp tương tự khi kể đến ảnh hưởng của sự CN VLS để giảm thiểu sai số do bỏ qua hiện tượng này
3 Đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS BN kiểu bậc thang
Trang 31CHƯƠNG 2
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1 VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
Cà rốt là một trong những loại thực phẩm được đánh giá là giàu chất dinh dưỡng nhất trong các loại rau quả và cũng được trồng rộng rãi nhất Cà rốt được Bác sỹ Nguyễn Ý Đức [96] coi là nhân sâm của người nghèo cũng bởi lý do là hàm lượng các chất dinh dưỡng và vitamin rất phong phú Đây là loại cây được trồng phổ biến ở các nước phương tây và phương đông Ở Việt nam thời vụ từ tháng giêng đến tháng bảy, hạt cà rốt sẽ nảy mầm sau khoảng 2 tuần và bắt đầu thành củ trong khoảng từ 2 đến 3 tháng Năng sất thu hoạch của cà rốt có thể lên tới 30÷40 tấn củ/ha và 0,2÷0,8 tấn hạt/ha Ở miền bắc Việt nam có tỉnh Hải Dương là một trong những địa phương có sản lượng và vùng chuyên canh cây cà rốt rất lớn do giá trị kinh tế của cà rốt mang lại Vùng tập trung của cà rốt ở đây chủ yếu tập trung ở huyện Cẩm Giàng, Nam Sách, Chí Linh [95]…Trong củ cà rốt có khoảng 80÷90% nước; 0,046 độ axít trung tính bằng axít sunfuaric; chất đạm 1÷1,87%; chất béo 0,02÷0,08%; glyxit tính theo tinh bột khoảng 6÷9,3%; xenluloza 1,4÷1,6%; tro 0,9÷1,03%; tinh dầu cà rốt có mùi thơm nồng và mạnh với hàm lượng khoảng 0,8÷1,6% thành phần chủ yếu là pinen, limonen, daucola và glycol; chất màu có tinh thể quan trọng là -caroten; các men pectaza, oxydaza; các enzim Ngoài ra người ta còn phát hiện một chất insulin thực vật có tác dụng giảm 1/3 đường trong máu [26] Như vậy, trong trường hợp sử dụng biện pháp sấy trong bảo quản chế biến cà rốt chúng ta cần lựa chọn phương pháp sấy phù hợp để đảm bảo chất lượng
Ở Việt nam đã có một số công trình nghiên cứu ứng dụng phương pháp sấy bằng bơm nhiệt như [26], [27], [29], [30] Theo các kết quả của những công trình này, hàm lượng các chất dinh dưỡng cũng như thành phần hóa học, màu sắc, mùi vị của các sản phẩm sấy như hành, cà rốt… đều có chất lượng tốt hơn so với phương pháp sấy khác Hơn nữa, về mặt vật liệu đầu vào có thể đáp ứng được trong thời gian tiến hành thí nghiệm nên chúng tôi lựa chọn cà rốt làm vật liệu nghiên cứu để có cơ sở đánh giá, so sánh kết quả thực nghiệm với tính toán lý thuyết trong luận án
Trang 322.2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Với các đề xuất nghiên cứu trong kết luận của chương 1, theo chúng tôi có thể tóm lược thành 2 nội dung với 3 nhiệm vụ chính Mảng nội dung thứ nhất gồm 2 nhiệm vụ đó là nghiên cứu quá trình TNTC trong VLS khi xét đến ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS và nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của hiện tượng CN đến phương pháp xác định TGS theo lý thuyết tương tự Phương pháp nghiên cứu ở mảng nội dung thứ nhất này được chúng tôi sử dụng kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực nghiệm So sánh kết quả nghiên cứu lý thuyết với số liệu thực nghiệm để khẳng định những đề xuất của chúng tôi trong nghiên cứu lý thuyết
là đáng tin cậy Mảng nội dung thứ hai liên quan đến việc đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng khi sấy các loại nông sản bằng thiết bị bơm nhiệt Giải quyết vấn
đề này chúng tôi sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình do chúng tôi thiết kế và lắp đặt tại phòng thực hành của Bộ môn Kỹ thuật nhiệt trường Đại học Giao thông vận tải
Tóm lại, để giải quyết 3 nhiệm vụ trong luận án đã đề xuất, chúng tôi sử dụng kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm Nội dung thực hiện của nghiên cứu lý thuyết TNTC trong VLS được chúng tôi trình bày trong mục 2.2.1 và phương pháp nghiên cứu thực nghiệm cũng như xử lý số liệu thực nghiệm được trình bày trong mục 2.2.2 và mục 2.2.3 sau đây
2.2.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết:
Xuất phát từ việc phân tích hiện tượng TNTC ở VLS trong QTS, nhìn chung các mô hình toán học mô tả hiện tượng thường bỏ qua ảnh hưởng của sự CN VLS
Vì vậy, trong luận án này chúng tôi lựa chọn hệ phương trình TNTC trong đó có kể đến ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS dạng tấm phẳng bằng cách đưa vào hệ số tốc độ CN trong khi bỏ qua ảnh hưởng của dẫn nhiệt đến khuếch tán nhưng có xét đến ảnh hưởng của khuếch tán đến dẫn nhiệt
Đối với phạm vi các thông số của TNS được lựa chọn theo kết quả nghiên cứu
đã được công bố [26], [5] Theo [26], khi nghiên cứu sấy cà rốt bằng bơm nhiệt cho thấy hàm lượng β-Carotene còn giữ được 38,9 ÷ 62,9% khi sấy trong phạm vi nhiệt
độ 20 ÷50oC Trong khi nếu sấy nóng bằng phương pháp đối lưu thông thường thì hàm lượng β-Caroten chỉ giữ được 10 ÷ 13% ở cùng phạm vi nhiệt độ Ngoài ra về
Trang 33mặt màu sắc cảm quan nếu sấy BN sẽ giữ được màu đỏ cam đậm so với sấy đối lưu
có màu đỏ cam nhạt, các kết quả này cũng phù hợp với nhận xét trong [30] khi đánh giá chất lượng của sấy cà rốt bằng BN so với các phương pháp sấy khác Cũng theo [26], khi khảo sát trong phạm vi tốc độ < 1 m/s với điều kiện TNS tuần hoàn kín trong HTS BN, tác giả cũng cho thấy sự phù hợp với dải làm việc Hơn nữa, trong [5] cũng nhận xét rằng với phạm vi tốc độ TNS từ 0,2 ÷ 3 m/s là phù hợp khi sấy khoai tây Như vậy, qua những kết quả trong các công trình đã công bố, chúng tôi lựa chọn phạm vi nghiên cứu của các thông số TNS mà không tiến hành khảo cứu
để tìm ra phạm vi giới hạn này nữa Phạm vi lựa chọn ở đây bao gồm:
1 Nhiệt độ TNS ta: 30 ÷ 45oC
2 Độ ẩm TNS a: 25 ÷ 45%
3 Tốc độ TNS a: 0,5 ÷ 2,5 m/s Các thông số nhiệt vật lý của TNS thay đổi theo nhiệt độ nên ở đây, chúng tôi lựa chọn các biểu thức trong [46] để tính toán các đại lượng như khối lượng riêng
a(t), hệ số nhớt động lực a(t), hệ số dẫn nhiệt a(t), nhiệt dung riêng Cpa(t) Hệ số khuếch tán hơi ẩm vào không khí Dâ(t) được xác định theo biểu thức cho trong [47] Xác định các tính chất nhiệt vật lý của VLS là điều quan trọng trong việc giải
hệ phương trình TNTC vì nếu các đại lượng này xác định không chính xác sẽ làm ảnh hưởng rất lớn đến kết quả tính toán Các đại lượng nhiệt vật lý của VLS phụ thuộc vào nhiệt độ là điều thực tế và đã được chứng minh trong nhiều tài liệu [48], [81] Vì vậy, trong luận án này chúng tôi không tiến hành xây dựng các quan hệ này nữa mà thừa nhận các biểu thức xác định giá trị nhiệt vật lý của vật liệu theo nhiệt độ đã được công bố [48], [81]…
Liên quan đến hiện tượng CN VLS, như đã nói ở trên, chúng tôi đưa vào hệ số tốc độ CN trong hệ phương trình TNTC liên hợp Giá trị này được xác định từ thực nghiệm thông qua việc đo giá trị đầu và giá trị cuối của chiều dày VLS sau khi kết thúc QTS Giá trị của tốc độ CN sẽ thay đổi theo chiều dày và càng gần vào tâm VLS tốc độ này càng giảm
Phương pháp giải hệ phương trình TNTC liên hợp trong luận án chúng tôi sử dụng là phương pháp sai phân hữu hạn (SPHH) Đây là một trong những công cụ tỏ
ra khá hiệu quả trong việc giải hệ phương trình vi phân bằng cách chuyển các hệ
Trang 34phương trình này về dạng sai phân [14], [18], [36], [47], [60] Nội dung chi tiết của các biểu thức xác định thông số nhiệt vật lý của TNS cũng như VLS và thuật toán khi sử dụng phương pháp SPHH để giải hệ phương trình TNTC sẽ được chúng tôi trình bày cụ thể trong chương 3
Nghiệm của hệ phương trình TNTC liên hợp sẽ là cơ sở để đánh giá, so sánh và kết luận các vấn đề liên quan đến động học QTS như ảnh hưởng của nhiệt độ TNS, tốc độ TNS…đến thay đổi độ ẩm trong VLS
Về TGS, theo lý thuyết tương tự thì độ chính xác của kết quả xác định TGS phụ thuộc vào giá trị của tiêu chuẩn Fourier Trong khi đó, tiêu chuẩn Fourier lại phụ thuộc vào hệ số khuếch tán hiệu quả D và cả kích thước xác định Vì vậy, nếu coi
hệ số D và kích thước xác định (ở đây là chiều dày tấm phẳng) không đổi thì kết quả tính toán sẽ gặp phải sai số do thực tế hiện tượng CN xảy ra Do đó, chúng tôi
đề xuất một phương pháp hiệu chỉnh và xác định lại các giá trị này để đảm bảo việc tính toán TGS phù hợp và gần với thực nghiệm hơn Nội dung cụ thể của phương pháp chúng tôi trình bày trong chương 3 và kết quả của tính toán trong chương 5
2.2.2 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm:
Thiết bị thí nghiệm được xây dựng trên cơ sở HTS BN kiểu bậc thang, bao gồm
2 hệ thống bơm nhiệt độc lập ghép nối tiếp nhau theo chiều chuyển động của TNS TNS đi từ dàn BH có nhiệt độ bay hơi cao sang dàn BH có nhiệt độ bay hơi thấp hơn trước khi đi qua dàn NT có nhiệt độ ngưng tụ thấp rồi đến dàn NT có nhiệt độ ngưng tụ cao hơn, cuối cùng đi vào TBS thực hiện việc trao đổi nhiệt ẩm với VLS
Để thải nhiệt thừa ra khỏi hệ thống chúng tôi bố trí mỗi BN có 1 dàn ngưng phụ (NP) đặt bên ngoài Dàn NP này được đóng ngắt thông qua van điện từ và quạt của dàn NP này cũng được đóng ngắt độc lập để tăng tính linh hoạt cho việc vận hành Các số liệu bao gồm nhiệt độ TNS, độ ẩm TNS và tốc độ TNS được xác định từ thí nghiệm thông qua việc tính toán giá trị trung bình theo tiết diện ứng với các vị trí
đo Cơ sở lý thuyết để lựa chọn và xây dựng cũng như chi tiết của cấu tạo thiết bị thí nghiệm HTS BN kiểu bậc thang được giới thiệu trong chương 4
Các b ớc tiến hành nghiên cứu th c nghiệm nh a :
1 Sơ chế cà rốt:
Gọt vỏ, cắt lát với kích thước 2 = 10mm, chọn những lát có đường kính
Trang 35xấp xỉ nhau, khoảng 50mm
Chần cà rốt trong nước 80oC trong 3 phút [26] nhằm mục đích giữ màu sắc của cà rốt, hệ thống các men (enzim) bị đình chỉ hoạt động và tiêu diệt các vi sinh vật Với biện pháp này theo [26] sẽ cho sản phẩm cà rốt sấy có mùi vị cảm quan và chất lượng tốt nhất trong thời gian bảo quản Trong luận án, chúng tôi kế thừa kết quả này và thực hiện luôn mà không đi vào nghiên cứu biện pháp này nữa
2 Tiến hành thí nghiệm sấy:
Tiến hành chạy thử, kiểm tra áp kế, nhiệt kế, quạt … đảm bảo các thiết bị này hoạt động bình thường Đưa HTS và TNS đến chế độ sấy yêu cầu
Cân khối lượng cà rốt trước khi đưa vào khay sấy, sắp xếp trên khay sấy dạng lưới các lát cà rốt sao cho chiều của TNS trong TBS song song và tiếp xúc được với 2 mặt của lát cà rốt một cách đều nhất (đối xứng cả 2 phía)
Bắt đầu chạy máy, ghi lại các thông số đầu tiên của hệ thống bao gồm chỉ số công tơ điện, nhiệt độ TNS, độ ẩm TNS, tốc độ TNS, khối lượng của cà rốt sấy trên cân điện tử, áp suất đầu đẩy, đầu hút của các máy nén trong hệ thống… Mỗi 5 phút bắt đầu ghi lại các số liệu này và tiến hành cho đến khi khối lượng của
cà rốt không đổi trong 5 lần đo liên tiếp Chú ý mỗi 25 phút chạy cho máy ngừng hoạt động 5 phút để hệ thống xả băng, tránh hiện tượng đóng băng trên dàn lạnh [5]
2.2.3 Xử lý số liệu thực nghiệm:
Để đánh giá các kết quả thí nghiệm, chúng tôi tiến hành mỗi thí nghiệm 3 lần, kết quả để đối chiếu so sánh với lý thuyết là trung bình của 3 lần thí nghiệm Các số liệu này được phân tích và xử lý nhằm loại đi các giá trị không phù hợp, mắc phải sai số quá lớn [22], [35] Nội dung của nó như sau:
Khi tiến hành “n” thí nghiệm xác định đại lượng Ai, gọi n là độ lệch ước lượng của tập hợp mẫu:
1n
tmax maxAi Atb t(0,05,n1)
Trang 36với t(0,05,n-1) là tiêu chuẩn Student với mức nghĩa p = 0,05 với bậc tự do (n-1)
Để đánh giá sự phù hợp của mô hình TNTC khi có xét đến ảnh hưởng của sự co ngót (MHCN) và khi không xét đến co ngót (MHKCN) với số liệu TN chúng tôi sử dụng đại lượng sai số căn quân phương RMSE (Root mean square error):
n
)yy(
RM SE
n
1 i
2 i LT TN
TN
LT TN
y
yyn
số giữa các đại lượng khi tính toán cân bằng là không tránh khỏi Vì vậy, không thể lấy sai số này làm sai số của kết quả thực nghiệm được Mặt khác, với các thiết bị
đo được lựa chọn để thực hiện cho mục đích đo đạc thí nghiệm nên chúng có sai số của thiết bị nhỏ ở mức chấp nhận được Với sai số ngẫu nhiên trong khi đo có thể hạn chế bằng cách đo nhiều lần khi thực nghiệm và xử lý số liệu thông qua biện pháp trình bày trong mục 2.2.3
2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
1 Đã xác định vật liệu sử dụng làm VLS đại diện cho kết quả nghiên cứu quá trình TNTC trong luận án là cà rốt dạng thái lát có chiều dày 2 = 10mm, đường kính trung bình khoảng r = 50mm
2 Xác định phạm vi nghiên cứu của các thông số liên quan đến QTS
3 Sử dụng phương pháp SPHH để giải hệ phương trình TNTC liên hợp
4 Lựa chọn HTS BN kiểu bậc thang để xây dựng thiết bị thí nghiệm
5 Lựa chọn phương pháp tiến hành thí nghiệm và xử lý số liệu
Trang 37CHƯƠNG 3
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT
TRONG VẬT LIỆU SẤY
3.1 MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TNTC CÓ XÉT ĐẾN HIỆN TƯỢNG CN VLS
Truyền nhiệt truyền chất là quá trình xảy ra đồng thời, hiện tượng dẫn nhiệt có ảnh hưởng đến hiện tượng khuếch tán và ngược lại hiện tượng khuếch tán cũng có ảnh hưởng nhất định đến hiện tượng dẫn nhiệt trong VLS [12], [14], [15], [67] Sự liên hợp của các hiện tượng này được mô tả bằng hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất do Luikov xây dựng đã được mô tả trong phần 1.3.2.2 chương 1 Trong công trình nghiên cứu được công bố năm 2011 [43], E.Barati và J.A Esfahani vẫn tiếp tục sử dụng mô hình TNTC do Luikov xây dựng nhưng vẫn không đề cập đến ảnh hưởng của CN VLS và ảnh hưởng của độ ẩm đến hiện tượng dẫn nhiệt Đối với các VLS là nông sản có độ ẩm cao thì hiện tượng CN trong QTS là không tránh khỏi nên việc phải xem xét đến ảnh hưởng này là rất cần thiết Bên cạnh đó, một số
mô hình toán học bán thực nghiệm và thực nghiệm nhằm xây dựng quan hệ giữa biến thiên độ ẩm của vật liệu sấy theo thời gian dựa vào hồi quy kết quả thực nghiệm của các tác giả Lewis, Page, Henderson&Pabis….được Aghbashlo tổng kết trong [39] Tuy nhiên, các mô hình này không mô tả được một cách rõ ràng ảnh hưởng của độ co ngót vật liệu trong QTS Tính toán truyền nhiệt truyền ẩm vẫn dựa trên chủ yếu là các mô hình toán học TNTC độc lập hoặc có kể đến ảnh hưởng qua lại của truyền nhiệt truyền ẩm mà hầu như rất ít công trình giải mô hình TNTC có xét đến ảnh hưởng của sự CN VLS Năm 2012, Nguyễn Mạnh Hùng [5] đã nghiên cứu hiện tượng TNTC liên hợp trong quá trình sấy khoai tây với mô hình toán học
có kể đến ảnh hưởng của độ ẩm đến trường nhiệt độ nhưng vẫn bỏ qua sự CN VLS
Vì vậy, để bổ sung và giải quyết vấn đề CN VLS, chúng tôi lựa chọn sử dụng mô hình toán có xét đến ảnh hưởng của hiện tượng CN vật liệu với giả thiết rằng hiện tượng CN xảy ra đồng nghĩa với với việc có sự dịch chuyển của bề mặt VLS theo hướng dịch vào gần tâm hơn Như vậy, khi tiến hành xây dựng mô hình thông qua
Trang 38cân bằng nhiệt ẩm của phần tử có kích thước vô cùng nhỏ thì còn có thêm thành phần x là tốc độ CN (tốc độ dịch chuyển của bề mặt VLS) theo phương x, m/s [63]
Để lựa chọn được mô hình toán của quá trình truyền nhiệt và khuếch tán ẩm của VLS, có thể giả thiết mô hình vật l trong trường hợp khảo sát như sau: TNS có nhiệt độ ta, tốc độ a và độ ẩm tương đối a thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ẩm tại
bề mặt VLS VLS có chiều dày 2 được đặt trong TBS sao cho sự trao đổi nhiệt ẩm đồng đều ở cả 2 mặt Hiện tượng dẫn nhiệt được thực hiện khi VLS hấp thụ nhiệt từ TNS qua bề mặt làm cho nhiệt độ của VLS tăng dần lên, độ ẩm của VLS bắt đầu giảm do sự dịch chuyển dần từ trong lòng ra bề mặt và được TNS mang ra ngoài qua hệ số trao đổi ẩm trung bình tại bề mặt M Khi QTS bắt đầu có nghĩa là hiện tượng trao đổi nhiệt ẩm xảy ra thì sự dịch chuyển của bề mặt VLS dần vào phía tâm cũng bắt đầu xảy ra (chiều dày của VLS giảm dần từ 0 đến e.Cuối QTS, chiều dày của VLS sẽ bằng chiều dày của VLS ở điều kiện cân bằng e Do quá trình này có tính chất đối xứng nên chỉ cần tính toán cho một nửa chiều dày tấm phẳng và được biểu diễn trên hình 3.1
Hình 3.1 Mô hình và bước chia sai phân một nửa bề dày tấm VLS
Khi nghiên cứu hiện tượng TNTC, sự ảnh hưởng qua lại của dẫn nhiệt và khuếch tán cần phải được xem xét và tính đến Tuy nhiên, khi sấy ở phạm vi nhiệt độ đã lựa chọn trong luận án, ảnh hưởng của dòng nhiệt đến dòng ẩm không lớn Mặt khác, các ảnh hưởng qua lại giữa dẫn nhiệt và khuếch tán luôn là ảnh hưởng phụ nên có
Trang 39thể bỏ qua Tuy nhiên, đối với QTS, mục tiêu nhằm tạo ra dòng dịch chuyển ẩm nên
ở đây cần tính đến ảnh hưởng của dòng dịch chuyển này đến dòng nhiệt Với hướng
đi này, tác giả [5] đã sử dụng hệ phương trình TNTC cho quá trình sấy bơm nhiệt có dạng:
sự dịch chuyển bề mặt VLS theo hướng vào gần tâm hơn đối với bài toán 1 chiều Như vậy, sau khi bổ sung ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS, hệ phương trình TNTC này có dạng như sau:
T ( D x
M M
M C
r ) t ( C
1 x
t t
2 x
p k
p x
Mô hình (3.2) trên được thành lập với một số giả thiết sau:
- Tính đến ảnh hưởng của khuếch tán ẩm đến dẫn nhiệt nhưng bỏ qua ảnh hưởng của dẫn nhiệt đến khuếch tán ẩm
- VLS là đồng chất, không có phản ứng hóa học và không có nguồn sinh nhiệt, nguồn sinh vật chất bên trong
- Các tính chất nhiệt vật lý của VLS phụ thuộc vào nhiệt độ hoặc độ chứa ẩm hoặc phụ thuộc cả hai
- Hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả D ít phụ thuộc vào độ chứa ẩm nhưng phụ thuộc nhiệt độ của VLS
- Nhiệt độ và độ chứa ẩm ban đầu của VLS là đồng nhất
Trang 40- Dịch chuyển ẩm bên trong chủ yếu là dạng hơi
- Kể đến hiện tượng CN VLS nhưng coi hình dáng của VLS không đổi
Hệ phương trình 3.2) sẽ được giải cùng với các điều kiện đơn tr sau:
- Điều kiện ban đầu: t(x, 0) = t0; M(x, 0) = M0 (3.3)
- Điều kiện đối xứng: 0
x
t
0 x
s
x x x
x cb k
M x x
x
t )
M M ( )
t t
s
x x cb M
x x x x x
x
M
- hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình tại bề mặt VLS, W/m2K
M - hệ số trao đổi ẩm đối lưu trung bình tại bề mặt VLS, m/s
ta - nhiệt độ TNS, oC
x - tốc độ CN trung bình của VLS, m/s
k; - khối lượng riêng của VLK tuyệt đối và VLÂ, kg/m3
Cp - nhiệt dung riêng VLÂ, J/kgK
t0 - nhiệt độ ban đầu của VLS, oC
M0 - độ chứa ẩm ban đầu của VLS, kgẩm/kgVLK
3.2 PHƯƠNG PHÁP GIẢI MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TNTC
CÓ XÉT ĐẾN ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG CN VLS
Khi giải hệ (3.2) cùng các điều kiện đơn trị (3.3) ÷ (3.6) bằng giải tích gặp nhiều khó khăn, vì vậy trong luận án này chúng tôi lựa chọn phương pháp giải bằng phương pháp SPHH Đây là một trong những phương pháp gần đúng được sử dụng phổ biến trong ngành kỹ thuật nhiệt lạnh, chi tiết về phương pháp được trình bày trong [14], [18], [36], [47], [60]… Tuy nhiên, để có đủ thông số tính toán cần phải biết được các thông số vật lý của TNS cũng như của VLS, dưới đây là một số công thức chúng tôi sử dụng trong tính toán
3.2.1 Xác định tốc độ CN VLS
Việc xác định đúng sự biến thiên theo phương CN của tốc độ CN x là rất khó