Thiết kế hệ thống sấy Mít nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt

PHẦN MỞ ĐẦULý do chọn đề tài Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, có bờ biển dài hơn 3000 Km, độ ẩm không khí thường trên 70%, nhiệt độ cao nhất có thể lên tới 38 o

MỤC LỤC Trang

LỜI CẢM ƠN ……… 4

PHẦN MỞ ĐẦU 5

CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SẤY 7

1.1 Vật liệu ẩm .7

1.1.1 Độ ẩm của vật liệu ……… 7

1.1.2 Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu 9

1.2 Quá trình đốt nóng và làm lạnh 11

1.2.1 Quá trình đốt nóng và đôt nóng tăng ẩm 11

1.2.2 Quá trình làm lạnh và làm lạnh khử ẩm 11

1.3 Các phương pháp sấy 12

1.3.1 Phương pháp sấy nóng 12

1.3.2 Phương pháp sấy lạnh 14

1.3.3 Sơ đồ thiết bị và trạng thái tác nhân sấy của hệ thống sấy lạnh …… 16

1.4 Phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt ……… 17

1.4.1 Thế sấy ……… 17

1.4.2 So sánh hai phương pháp sấy lạnh ……… 18

1.4.3 Đặc tính của quá trình sấy lạnh ……… 20

CHƯƠNG 2 : LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT ……… 22

2.1 Khái quát về bơm nhiệt ……… 22

2.2 Nguyên lý hoạt động ……… 23

2.3 Hệ số nhiệt của bơm nhiệt 24

2.4 So sánh các phương án cấp nhiệt …… 25

2.5 Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt 27

2.6 Ứng dụng của bơm nhiệt trong nền kinh tế quốc dân …….……… 29

CHƯƠNG 3 : CÔNG NGHỆ SẤY RAU QUẢ ………34

3.1 Sơ lược về các sản phẩm rau quả 34

3.2 Công nghệ sấy rau quả ……… 34

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy 36

3.4 Sơ lược về quả Mít ……… ……… 37

CHƯƠNG 4 : LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ TRÌNH SẤY ……… 39

4.1 Lựa chọn phương án sấy ……… 39

4.2 Chọn loại thiết bị sấy 39

4.3 Các thông số tính toán ……….……… 40

4.3.1 Vật liệu sấy ……….………….……… 40

4.3.2 Tác nhân sấy ……….………….……… 40

4.4 Tính toán kích thước buồng sấy ……… 41

4.5 Xây dựng quá trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-d 42

4.5.1 Đồ thị I-d ……… ……… 42

4.5.2 Tính toán quá trình sấy ……… 43

4.6 Xây dựng quá trình sấy thực tế trên đồ thị I-d ……….…… 46

4.6.1 Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy thực tế ………46

4.6.2 Đồ thị I-d ……… 51

4.6.3 Tính toán quá trình sấy thực tế ……… ……52

CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM NHIỆT ……… 55

5.1 Chọn môi chất nạp và các thông số của môi chất ……… 55

5.1.1 Chọn môi chất nạp ……… … 55

5.1.2 Nhiệt độ ngưng tụ ……… …… 55

5.1.3 Nhiệt độ bay hơi ……… ……… 55

5.1.4 Nhiệt độ hơi hút ……….……… 55

5.1.5 Nhiệt độ quá lạnh ……….………… 56

5.2 Chọn và tính toán chu trình bơm nhiệt máy lạnh ……… 56

5.2.1 Chọn chu trình ……… ………

56 5.2.2 Sơ đồ, nguyên lý làm việc ……… …….56

5.2.3 Xây dựng đồ thị và lập bảng xác định các giá trị tại các điểm nút 57

5.2.4 Tính toán chu trình ……… ………58

5.3.1 Dàn ngưng (Thiết bị gia nhiệt không khí) ……… … …… 59

1 Chọn loại dàn ngưng ……… ………… 60

2 Các thông số cho trước ……… 60

3 Tính diện tích trao đổi nhiệt ……… …… 61

4 Tính các thông số cụ thể của dàn ngưng ……… ….… 65

5.3.2 Dàn bay hơi (Thiết bị làm lạnh không khí) ……… ……… … …… 65

1 Chọn loại dàn bay hơi ……… … 66

2 Các thông số cho trước ……… … … 66

3 Tính diện tích trao đổi nhiệt ……….…… …… 67

4 Tính các thông số cụ thể của dàn bay hơi ……….… … 70

5.3.3 Thiết bị hồi nhiệt ……… ….…… 71

1 Tính chọn đường kính ống ……… 72

2 Tính toán diện tích trao đổi nhiệt ………73

5.4 Tính chọn máy nén ……… …… … 76

5.4.1 Tính toán chu trình ở chế độ yêu cầu ……….…….… 77

5.4.2 Tính toán năng suất lạnh tiêu chuẩn ……….….77

5.4.3 Chọn máy nén ……….……… 78

5.4.4 Tổn thất năng lượng và công suất động cơ ……….… 79

5.5 Chọn Đường ống dẫn môi chất ……… ……… …….79

5.5.1 Đường ống đẩy ……….……… 79

5.5.2 Đường ống hút ……….… ………… 80

CHƯƠNG 6 : TÍNH TOÁN TRỞ LỰC VÀ CHỌN QUẠT ……… …81

6.1 Tính toán đường ống dẫn tác nhân sấy ……… 81

6.2 Tính toán trở lực của hệ thống ……… 82

6.2.1 Tổn thất áp suất trên đường ống gió ……… 82

6.2.2 Tổn thất qua các thiết bị của hệ thống ……… 83

6.3 Chọn quạt ……… 84

CHƯƠNG 7 : TÍNH TOÁN THỜI GIAN HOÀN VỐN ……….85

KẾT LUẬN ……… 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 89

Lêi C¶m ¬n

Trong suốt gần năm năm học tại trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Em đã được sự dạy dỗ ân cần và giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong trường, đặc biệt là các thầy cô giáo trong khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh Em xin chân thành cảm ơn:

 Toàn thể giáo viên trong trường Đại học Bách Khoa đã dạy dỗ, giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập.

 Toàn thể thầy giáo, cô giáo trong khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh đã cung cấp cho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập.

 Gia đình và bạn bè đã cổ vũ, động viên, khích lệ em trong suốt thời gian ngồi trên giảng đường đại học.

 Đặc biệt, em xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo:

PGS.TS Hoàng Ngọc Đồng Thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp

đỡ em trong thời gian qua để em có thể hoàn thành tốt đồ án tố nghiệp của mình.

Trong quá trình tính toán, thiết kế đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô để em có thêm những kiến thức bổ ích làm hành trang bước vào đời.

Đà Nẵng , Tháng 05/2007 Sinh viên thực hiện

Cao Văn Sơn

PHẦN MỞ ĐẦU

Lý do chọn đề tài

Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, có bờ biển dài hơn

3000 Km, độ ẩm không khí thường trên 70%, nhiệt độ cao nhất có thể lên tới 38 oC.Khí hậu nóng ẩm là điều kiện thuận lợi để nấm mốc và các loại vi sinh vật có hạiphát triển làm hư hại các loại lương thực, thực phẩm, hoa quả, giống cây trồng,thuốc chữa bệnh… Bên cạnh đó, nước ta lại là một nước nông nghiệp, trình độkhoa học kỹ thuật còn lạc hậu Có nhiều địa phương do không có trang bị kỹ thuậtbảo quản hoa quả, nông sản sau thu hoạch nên thường bán thốc bán tháo với giá rẻkhi mùa thu hoạch đến Có khi giá trị đạt được chỉ khoảng 20% so với giá trị thựccủa nó Để tránh được tình trạng đó và để đa dạng hoá các loại sản phẩm nôngnghiệp, nâng cao giá trị sử dụng của sản phẩm, nâng cao thu nhập cho người nôngdân, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm sau thu hoạch là một yêu cầucần thiết trong thời gian hiện nay

Ngày nay, nhu cầu về chất lượng của sản phẩm ngày càng đòi hỏi khắt khe, đặcbiệt là các loại sản phẩm cần giữ màu sắc và mùi vị như kẹo, hoa quả, thuốc chữabệnh… Hơn nữa, trong những năm gần đây, Việt Nam đã có nhiều bước tăngtrưởng mạnh về nông - lâm - ngư nghiệp Để có thể cạnh tranh được trong thời kỳhội nhập WTO thì bắt buộc các sản phẩm sấy của chúng ta phải đảm bảo chất lượng

và uy tín cao

Với các loại rau, củ, quả, dược liệu… khi sấy ở nhiệt độ cao có thể phá huỷ cácchất hoạt tính sinh học như hóc môn, màu, mùi vị, men, vitamin, protêin… và làmthay đổi chất lượng sản phẩm Vì thế, sấy lạnh bằng nguyên lý bơm nhiệt là mộtphương pháp bảo quản sau thu hoạch đáp ứng được những yêu cầu khắt khe về chấtlượng sau khi sấy Bởi vì tác nhân sấy có độ ẩm thấp, nhiệt độ sấy thấp nên quátrình sấy xẩy ra tại nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp sấy thông thường do

đó hạn chế được sự thay đổi không có lợi về màu sắc và mùi vị tự nhiên của sảnphẩm

Như vậy, việc tìm tòi và phát triển rộng rải các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh thựcphẩm, nông sản sau thu hoạch, lâm sản, dược liệu là một yêu cầu cấp bách khuyếnkhích phát triển nông nghiệp, chuyển đổi cơ cấu cây trồng, sản xuất các mặt hàngthay thế nhập khẩu và xuất khẩu ra thị trường thế giới, tiết kiệm năng lượng, giảmvốn đầu tư và giá thành sản phẩm.

Bơm nhiệt là thiết bị nhiệt-lạnh được xem là có khả năng tiết kiệm năng lượngnhất hiện nay [10] Qua nhiều năm nghiên cứu và triển khai ứng dụng để hút ẩm vàsấy lạnh thấy rằng bơm nhiệt có rất nhiều ưu điểm và rất có khả năng ứng dụngrộng rải trong điều kiện khí hậu nóng ẩm, phù hợp với thực tế Việt Nam, mang lạihiệu quả kinh tế - kỹ thuật đáng kể Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với nhữngsản phẩm cần giữ trạng thái, màu mùi, chất dinh dưỡng và không cho phép sấy ởnhiệt độ cao, tốc độ gió lớn [11]

Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng sấy lạnh dùng bơmnhiệt và đã có hiệu quả thực tiễn cao Tuy nhiên, chưa có tài liệu nào nói rõ việctính toán thiết kế một hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt cụ thể Vì vậy, Em đã mạnhdạn chọn đề tài: “Thiết kế hệ thống sấy Mít nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt” đểlàm đề tài tốt nghiệp cho mình

Nội dung nghiên cứu

- Lý thuyết về kỹ thuật sấy.

- Lý thuyết về bơm nhiệt.

- Sơ lược về công nghệ sấy hoa quả.

- Tính toán thiết kế hệ thống sấy Mít sử dụng bơm nhiệt.

- Tính toán kinh tế của hệ thống.

- Kết luận.

Phương pháp nghiên cứu

Dựa trên lý thuyết trong các tài liệu, tiến hành tính toán thiết kế hệ thống sấy lạnhdùng bơm nhiệt Từ đó ta rút ra kết luận và ứng dụng của nó trong thực tiễn

Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài có thể chỉ rõ được hiệu quả của việc sử dụng bơm nhiệt trong sấy ở nhiệt

độ thấp so với hệ thống sấy nóng Trên cơ sở tính toán, ta có thể lựa chọn công suất

1.1.1 Độ ẩm của vật liệu

Các vật đem sấy đều là những vật ẩm có chứa một khối lượng chất lỏng đáng kể.Trong quá trình sấy, ẩm trong vật bay hơi, độ ẩm của nó giảm Trạng thái của vậtliệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó

+ Gk - khối lượng vật khô tuyệt đối [kg]

Quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm toàn phần:

Là tỷ số giữa lượng chứa ẩm trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối Kí hiệu:

u, [kg ẩm/ kg vật khô] Được tính theo công thức:

Nếu gọi k là khối lượng riêng của vật khô tuyệt đối thì từ (1-4) và (1-6) ta có:

k

u

N   (1-7)Nếu giả thiết thể tích của vật không thay đổi trong quá trình sấy, tức là V = Vk

Vk là thể tích của vật khô tuyệt đối, ta có:

Trong kỹ thuật sấy, độ ẩm cân bằng có ý nghĩa lớn, nó dùng để xác định giới hạnquá trình sấy và độ ẩm cuối cùng trong quá trình sấy của mỗi loại vật liệu trongnhững điều kiện môi trường khác nhau.

1.1.2 Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu

Khi nghiên cứu quá trình sấy cần phải xác định các dạng tồn tại và các hình thứcliên kết giữa ẩm với vật khô Vật ẩm thường là tập hợp của 3 pha: rắn, lỏng và hơi.Các vật rắn đem sấy thường là các vật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn Trong

kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần rắn khô và ẩm lỏng

Diễn biến quá trình sấy các vật ẩm sẽ bị chi phối bởi các dạng liên kết ẩm trongvật Có nhiều cách phân loại các dạng liên kết ẩm trong đó cách phân loại của P.H.Rôbinde được sử dụng rộng rãi hơn vì nó nêu được bản chất hình thành các dạngliên kết ẩm trong vật liệu Theo cách này, tất cả các dạng liên kết ẩm được chiathành 3 nhóm chính là: liên kết hoá học, liên kết hoá lý và liên kết cơ lý

1 Liên kết hoá học

Thể hiện dưới dạng liên kết ion hay liên kết phân tử Lượng ẩm trong liên kết hoáhọc chiếm tỉ lệ nhất định Liên kết ion được hình thành bởi những phản ứng hoá họcrất bền vững Muốn phá vỡ các liên kết này phải dùng các phản ứng hoá học hoặcnung đến nhiệt độ rất cao Còn liên kết phân tử ta có thể quan sát qua quá trình kếttủa của các dung dịch Vật liệu khi bị tách ẩm liên kết hoá học thì tính chất của nóthay đổi Nói chung trong quá trình sấy (nhiệt độ từ 120150 oC) không tách được

ẩm liên kết hoá học, quá trình sấy yêu cầu giữ nguyên các tính chất hoá lý của vật

khí ẩm hay trực tiếp với nước, ẩm sẽ xâm nhập vào vật theo các bề mặt tự do nàytạo thành liên kết hấp thụ giữa nước và bề mặt.

+ Liên kết thẩm thấu:

Liên kết thẩm thấu là liên kết hoá lý giữa nước và vật rắn khi có sự chênh lệchnồng độ các chất hòa tan ở trong và ngoài tế bào, tức là có sự chênh lệch áp suất hơinước Quá trình thẩm thấu không kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt và không làm chovật biến dạng Về bản chất, ẩm thẩm thấu trong các tế bào không khác với bìnhthường và không chứa các chất hòa tan vì các chất hoà tan sẽ không thể khuếch tánvào trong tế bào cùng với nước

Được hình thành trong quá trình hình thành vật (ví dụ như quá trình đông đặc )

Để tách nước trong trường hợp này có thể dùng phương pháp nén ép, làm cho nướcbay hơi hoặc phá vỡ cấu trúc của vật Sau khi tách nước, vật bị biến dạng nhiều, cóthể thay đổi tính chất, thậm chí có thể thay đổi cả trạng thái pha

+ Liên kết mao dẫn:

Nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản, ví dụ như gỗ, vải Trong các vật thể này có

vô số các mao quản Các vật thể này khi để trong không khí, nước sẽ theo các maoquản xâm nhập vào vật thể Khi vật thể này đặt trong môi trường không khí ẩm thìhơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao dẫn và theo các mao quản xâm nhập vào vậtthể Tách ẩm liên kết mao dẫn bằng phương pháp làm cho ẩm bay hơi hoặc đẩy ẩm

ra bằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn Vật sau khi tách ẩm mao dẫn nói chung vẫngiữ được kích thước, hình dáng và các tính chất hoá lý

Được hình thành do nước bám dính vào bề mặt vật với góc dính ướt <90oC vàdính ướt nhờ vào sức căng bề mặt Ẩm liên kết dính ướt được tách khỏi vật dễ dàngbằng phương pháp bay hơi, đồng thời cũng có thể tách ra bằng các phương pháp cơhọc như: lau, thấm, thổi, vắt ly tâm

1.2 Quá trình đốt nóng và làm lạnh

1.2.1 Quá trình đốt nóng và đốt nóng tăng ẩm

1) Quá trình đốt nóng không tăng ẩm

Qúa trình này xảy ra

nhờ thiết bị trao đổi

nhiệt (calorife) trong hệ

thống sấy Giả sử không

khí tại điểm A(t0, 0)

độ tăng nhưng lượng

chứa ẩm d không đổi

2) Quá trình đốt nóng tăng ẩm

Quá trình đốt nóng tăng ẩm thường được sử dụng trong kỹ thuật xử lý không khíbằng cách phun nước hoặc hơi nước có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ không khí vàokhông khí Chẳng hạn, không khí ở trạng thái A(t0, 0 ) cần đốt nóng tăng ẩm đếntrạng thái N(tn,n) (tn>t0; n   0) thì quá trình đó được biểu diển trên đồ thị theođường AN, trong đó N là giao điểm của 2 đường t = tn = const và   n= const

1.2.2 Quà trình làm lạnh và làm lạnh - khử ẩm

Quá trình làm lạnh ngược với quá trình đốt nóng Trong quá trình này nhiệt độgiảm và độ ẩm tương đối tăng lên

1) Quá trình làm lạnh đẳng entanpi

Quá trình này xẩy ra khi phun nước có cùng nhiệt độ với không khí vào khôngkhí Chẳng hạn không khí tại điểm A được làm lạnh đẳng entanpi đến nhiệt độ t1

nào đó thì điểm cuối của quá trình làm lạnh B1’ là điểm cắt nhau giữa đường I = I0 =const và đường t = t1 =

const Nếu muốn khử ẩm

1.3 Các phương pháp sấy

Sấy là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật Tuy nhiên, sấy là một quátrình công nghệ đòi hỏi sau khi sấy, vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốnnăng lượng ít và chi phí vận hành thấp Có hai phương pháp sấy:

1.3.1 Phương pháp sấy nóng

Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy và vật liệu sấy được đốt nóng Dotác nhân sấy được đốt nóng nên độ ẩm tương đối φ giảm dẫn đến phân áp suất hơi

nên mật độ hơi trong các mao quản tăng và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vậtcũng tăng theo công thức:

Pr_ áp suất trên bề mặt cột mao dẫn, N/m2

Po_ áp suất trên bề mặt thoáng, N/m2

Do đó, hệ thống sấy nóng thường được phân loại theo phương pháp cung cấpnhiệt:

+ Hệ thống sấy đối lưu: Vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thểnóng mà thông thường là không khí nóng hoặc khói lò Hệ thống sấy đối lưu gồm:

hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động…

+ Hệ thống sấy tiếp xúc: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng Như vậytrong hệ thống sấy tiếp xúc, người ta tạo ra độ chênh lệch áp suất nhờ tăng phân ápsuất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy Hệ thống sấy tiếp xúc gồm: hệ thống sấy lô,

hệ thống sấy tang…

+ Hệ thống sấy bức xạ: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để dẫn ẩmdịch chuyển từ lòng vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường Ở đây

người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường bằngcách đốt nóng vật.

+ Hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường:Khi vật liệu sấy đặt trong môi trường điện từ thì trong vật xuất hiện các dòng điện

và chính dòng điện này sẽ đốt nóng vật

* Ưu điểm của phương pháp sấy nóng:

+ Thời gian sấy bằng các phương pháp sấy nóng ngắn hơn so với phương phápsấy lạnh

+ Năng suất cao và chi phí ban đầu thấp

+ Nguồn năng lượng sử dụng cho phương pháp sấy nóng có thể là khói thải, hơinước nóng, hay các nguồn nhiệt từ dầu mỏ, than đá, rác thải, cho đến điện năng.+ Thời gian làm việc của hệ thống cũng rất cao

* Nhược điểm

+ Chỉ sấy được các vật sấy không cần có các yêu cầu đặc biệt về nhiệt độ

+ Sản phẩm sấy thường hay bị biến màu và chất lượng không cao

Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường cóthể trên dưới nhiệt độ môi trường (t > 0 oC) và cũng có thể nhỏ hơn 0 oC

Có thể phân loại hệ thống sấy lạnh như sau:

1 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ t > 0 o C

Với hệ thống sấy này, nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉbằng nhiệt độ môi trường Tác nhân sấy thường là không khí Trước hết, không khí

đó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu sấy.Khi đó, phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bé hơn phân áp suất hơi nước trên

bề mặt vật liệu sấy nên ẩm từ dạng lỏng sẽ bay hơi và đi vào tác nhân sấy Như vậy,quy luật dịch chuyển ẩm trong lòng vật liệu sấy và từ bề mặt vật vào môi trườngtrong các hệ thống sấy lạnh giống như các loại hệ thống sấy nóng Điều khác nhau ởđây là cách giảm phân áp suất hơi nước Ph trong tác nhân sấy Trong các hệ thốngsấy nóng đối lưu người ta giảm Ph bằng cách đốt nóng tác nhân sấy (d = const) đểtăng áp suất bão hoà dẫn đến giảm độ ẩm tương đối  Còn các hệ thống sấy lạnh

có nhiệt độ tác nhân sấy bằng nhiệt độ môi trường chẳng hạn, người ta tìm cáchgiảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy bằng cách giảm lượng chứa ẩm d kếthợp với quá trình làm lạnh (sau khử ẩm bằng hấp phụ) hoặc đốt nóng (sau khử ẩmbằng làm lạnh)

2 Hệ thống sấy thăng hoa

Hệ thống sấy thăng hoa là hệ thống sấy lạnh mà trong đó ẩm trong vật liệu sấy ởdạng rắn trực tiếp biến thành hơi đi vào tác nhân sấy Trong hệ thống sấy này người

ta tạo ra môi trường trong đó nước trong vật liệu sấy ở dưới điểm 3 thể, nghĩa lànhiệt độ của vật liệu T<273 K và áp suất tác nhân sấy bao quanh vật P<610 Pa Khi

đó nếu vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng thì nước trong vật liệu sấy ở dạng rắn sẽchuyển trực tiếp sang dạng hơi và đi vào tác nhân sấy Như vậy trong hệ thống sấythăng hoa, một mặt ta làm lạnh vật xuống dưới 0 oC mặt khác tạo chân không xungquanh vật liệu sấy

3.Hệ thống sấy chân không

Nếu nhiệt độ vật liệu sấy vẫn nhỏ hơn 273 K nhưng áp suất tác nhân sấy baoquanh vật P>610 Pa thì khi vật liệu sấy nhận nhiệt lượng, nước trong vật liệu sấy ởdạng rắn không thể chuyển trực tiếp thành hơi để đi vào tác nhân sấy mà trước khibiến thành hơi, nước phải chuyển từ thể rắn qua thể lỏng

* Ưu điểm của phương pháp sấy lạnh

+ Các chỉ tiêu về chất lượng như màu cảm quan, mùi vị, khả năng bảo toànvitamin C cao

+ Thích hợp để sấy các loại vật liệu sấy yêu cầu chất lượng cao, đòi hỏi phải sấy

ở nhiệt độ thấp

+ Sản phẩm bảo quản lâu và ít bị tác động bởi điều kiện bên ngoài

+ Quá trình sấy kín nên không phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường

* Nhược điểm của phương pháp sấy lạnh

+ Giá thành thiết bị cao, tiêu hao điện năng lớn.

+ Vận hành phức tạp, người vận hành cần có trình độ kỹ thuật cao

+ Cấu tạo thiết bị phức tạp, thời gian sấy lâu

+ Nhiệt độ môi chất sấy thường gần nhiệt độ môi trường nên chỉ thích hợp vớimột số loại vật liệu, không sấy được các vật liệu dể bị vi khuẩn làm hư hỏng ở nhiệt

độ môi trường như bị ôi, thiu, mốc…[15]

+ Do cuốn bụi nên có thể gây tắc tại thiết bị làm lạnh

1.3.3 Sơ đồ thiết bị và trạng thái tác nhân sấy của hệ thống sấy lạnh

Có thể tổ chức sấy ở nhiệt độ thấp theo sơ đồ hồi lưu tuần hoàn Ta xét các sơ đồsau:

Sơ đồ 1

Nguyên lý

Tác nhân sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy được dẫn qua máy hút ẩm để khử bớt

ẩm Thường quá trình khử ẩm, do chất hấp phụ phải liên tục hoàn nguyên nên quátrình khử ẩm là quá trình d giảm, nhiệt độ tăng Trên đồ thị I-d biểu diễn bởi đường

C A Không khí ở trạng thái A xác định bởi cặp thông số (d ,t ), được làm lạnh đến

độ và độ ẩm tương đối 1 rất bé được đưa vào thiết bị sấy để thực hiện quá trìnhsấy đẳng nhiệt BC0.

Sơ đồ 2

Nguyên lý:

Tác nhân sấy sau khi ra khỏi thiết bị sấy được làm lạnh khử ẩm theo quá trình

C0A1A2 Không khí ở trạng thái C0 có nhiệt độ t0 và lượng chứa ẩm d2 được làmlạnh đẳng ẩm (d2 = d = const) đến trạng thái bảo hoà A1 Không khí ở trạng thái A1

được tiếp tục làm lạnh Khi đó hơi nước trong không khí sẽ ngưng tụ một phần Giả

sử trạng thái A2 có thông số (d1,t1) và ta có: d1<d2; t1<t0 (trên I-d) Không khí ở trạngthái bảo hoà A2 được đốt nóng đẳng dung ẩm d = d1 = const đến nhiệt độ môitrường t0 theo quá trình A2B trong bộ đốt nóng Tác nhân sấy ở trạng thái B có nhiệt

độ t0 nhưng độ ẩm tương đối 1 rất bé được đưa vào thiết bị sấy để thực hiện quátrình sấy đẳng nhiệt BC0

1.4 Phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt

1.4.1 Thế sấy

Trong quá trình sấy, để có thể hấp thụ được ẩm trong vật, tác nhân sấy cần phải

có thế sấy lớn Tức là phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy tại bề mặt vật sấy nhỏhơn phân áp suất của hơi nước trong vật, nhờ đó ẩm sẽ thoát ra khỏi vật và được tácnhân sấy hấp thụ Đối với tác nhân sấy là không khí, để làm được điều đó thì độ ẩmtương đối của không khí phải nhỏ Trong công nghệ sấy lạnh, người ta tập trung

làm giảm dung ẩm của không khí, nhưng đồng thời cũng yêu cầu nhiệt độ phải nhỏhơn nhiệt độ môi trường [6] Không khí được hút ẩm, độ chứa hơi giảm làm cho độ

ẩm tương đối giảm (nhiệt độ có thể không đổi) dẫn đến nhiệt độ nhiệt kế ướt giảm.tức là làm tăng độ chênh t = tk – tu Trị số t tăng sẽ tăng cường truyền nhiệt từkhông khí tới vật làm cho ẩm bốc hơi thoát vào không khí dưới tác động của chênhlệch phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật và không khí

1.4.2 So sánh hai phương pháp sấy lạnh

1 Thiết bị bài ẩm chuyên dụng.

Để hút ẩm đến độ ẩm nhỏ và sấy lạnh, lâu nay chúng ta hay dùng máy bài ẩm –tên gọi tiếng Việt để chỉ máy hút ẩm chuyên dùng kiểu hấp phụ [8] Sơ đồ cấu tạocủa hệ thông như hình vẽ:

Nguyên lý:

Không khí ẩm được cho đi qua một khối chất hấp phụ chế tạo ở dạng bánh xequay Ẩm trong không khí được hấp thụ Sau khi hấp thụ ẩm, phần bánh chất hấpphụ ẩm quay sang phía có dòng không khí nóng đi qua (không khí nóng này đượcgia nhiệt bởi một dàn điện trở) và được hoàn nguyên – khôi phục được khả năng hút

ẩm Phần bánh chất hấp phụ hoàn nguyên trao đổi nhiệt với dòng không khí nóngnên sau khi hoàn nguyên nhiệt độ của nó tương đối cao Do vậy khi hấp thụ ẩm trở

nóng Không khí khô vì vậy cần được đưa qua một máy lạnh để đưa nhiệt độ khôngkhí đến nhiệt độ cần thiết cho quá trình sấy Sau đó dòng khí khô nhiệt độ thấp sẽđược đưa vào buồng sấy Ẩm trong vật sẽ được không khí khô hấp thụ chuyểnthành không khí ẩm Dòng khí ẩm quay trở về thiết bị bài ẩm Đấy là một chu kìlàm việc của thiết bị.[6]

Máy bài ẩm có ưu điểm là khả năng hút ẩm lớn, năng suất hút ẩm khá cao Tuynhiên nó còn có nhiều nhược điểm:

+ Tiêu hao năng lượng lớn (cho hoạt động của dàn điện trở và máy lạnh) làm chochi phí sử dụng cao

+ Chất hấp phụ sau một thời gian hoạt động sẽ cần được thay thế, mà chất hấpphụ này thường phải nhập ngoại nên làm cho chi phí bảo dưỡng cao

+ Giá thành thiết bị lớn, ngoài máy hút ẩm ra còn kết hợp với máy lạnh nên chiphí đầu tư ban đầu cao

+ Trong điều kiện làm việc nhiều bụi thì máy phải có thời gian ngừng hoạt động

để làm sạch cho chất hấp phụ của máy hút ẩm

2 Thiết bị bơm nhiệt

Nguyên lý:

Không khí ẩm được đưa qua dàn lạnh Tại đây, ẩm trong không khí được ngưng

tụ lại trên dàn lạnh Do vậy, dung ẩm trong không khí giảm xuống nhưng nhiệt độcủa nó cũng giảm nên độ ẩm tương đối cao Sau đó dòng khí lại tiếp tục được đưa

qua dàn nóng Tại đây, dòng khí được sấy nóng đẳng dung ẩm làm cho độ ẩm tươngđối của nó giảm xuống.[6]

* Ưu điểm của phương pháp:

+ Giảm chi phí cho thiết bị, chi phí cho vận hành và bảo dưỡng

+ Năng lượng của dàn nóng và dàn lạnh đều được tận dụng triệt để

+ Quá trình hoạt động của thiết bị không bị gián đoạn do không phải thay thếchất hấp phụ như trong máy bài ẩm chuyên dụng

+ Tuổi thọ thiết bị cao, trong khoảng thời gian 10 năm, thiết bị hầu như khôngcần đòi hỏi bảo dưỡng Chỉ cần sau một thời gian làm việc, ta vệ sinh các dàn đểđảm bảo điều kiện trao đổi nhiệt

+ Điện năng sử dụng cũng thấp hơn nhiều so với phương pháp dùng máy bài ẩm.+ Chất lượng và màu sắc của vật sấy được giữ tốt hơn, thích hợp để sấy khô cácloại vật phẩm không chịu được nhiệt độ cao

* Nhược điểm của phương pháp:

+ Thời gian sấy thường lâu hơn so với các phương pháp sấy khác Để khắc phụcnhược điểm này ta có thể dùng thiết bị sấy với tốc độ cao

+ Chỉ sấy được ẩm tự do, việc sấy ẩm liên kết là rất khó khăn.[15]

1.4.3 Đặc tính quá trình sấy lạnh

Khi sấy lạnh, nhiệt độ

và độ ẩm không khí cuối

quá trình sấy đều nhỏ

hơn các giá trị tương

ứng của môi trường

Quá trình làm việc của

bơm nhiệt sấy lạnh xẩy

trình làm lạnh 2-3 và gia nhiệt 3-1 thay cho quá trình khử ẩm 2-3” và làm lạnh 3”-1

mà phải có máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh mới thực hiện được

Trong các quá trình này thì quá trình làm khô không khí 2-3 ở dàn bay hơi củabơm nhiệt có vai trò đặc biệt quan trọng quyết định hiệu quả của toàn bộ quá trìnhgia nhiệt không khí ở dàn ngưng 3-1 và quá trình sấy sản phẩm trong buồng sấy 1-2

Ở đây, 2-3 là quá trình thực làm lạnh hổn hợp không khí-nước hay quá trình làmlạnh khử ẩm của không khí Quá trình này không diễn biến theo quy luật đườngthẳng mà theo quan hệ đường cong lõm với độ dốc lớn nhất ở đầu quá trình làmlạnh Sở dĩ như vậy là do trạng thái không khí nhận được là hỗn hợp của 2 dòngkhông khí: dòng thứ nhất truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt khi tiếp xúc trực tiếp với dànlạnh và có nhiệt độ gần nhiệt độ bề mặt; dòng thứ hai không tiếp xúc trực tiếp vớidàn lạnh nên có nhiệt độ cao hơn Hai dòng này trộn lẫn với nhau nên nhiệt độkhông khí xử lý ở mọi vị trí của dàn lạnh theo hướng chuyển động của nó đều cóthể xem là nhiệt độ của hổn hợp[8] Quá trình lý thuyết làm lạnh hổn hợp này từnhiệt độ t2 của không khí sau buồng sấy tới nhiệt độ t3 của không khí sau dàn lạnh là

22s3’ Tuy nhiên, trong thực tế sẽ có sự sai khác giữa điểm 3’(không khí bão hoà)

và điểm 3 (không khí chưa bão hoà) [11]

Chương 2

LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT

2.1 Khái quát về bơm nhiệt

Năm 1852, Thomson (Lord Kelvin) sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên của thế giới.Song song với kỹ thuật lạnh, bơm nhiệt có bước phát triển của riêng mình Nhữngthành công lớn nhất của bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940 khi hàng loạt bơmnhiệt công suất lớn được lắp đặt thành công ở nhiều nước châu Âu để sưởi ấm, đunnước nóng và điều hoà không khí.[12]

Từ khi xẩy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt lạibước vào một bước tiến nhảy vọt mới Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cở cho cácứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thịtrường Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòakhông khí, sấy, hút ẩm, đun nước…

Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt

Hình a: Sơ đồ thiết bị Hình b: Sơ đồ dòng năng lượngMN: Máy nén; NT: Thiết bị ngưng tụ; TL: Van tiết lưu; BH:thiết bị bay hơil: Công tiêu tốn cho máy nén; qo: Nhiệt lượng lấy từ môi trường.

qk: Nhiệt lượng thải ra ở dàn ngưng tụ

2.2 Nguyên lý hoạt động

Bơm nhiệt là một thiết bị dùng để bơm một dòng nhiệt từ mức nhiệt độ thấp lênmức nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt Để duy trì bơm nhiệt hoạtđộng cần tiêu tốn một dòng năng lượng khác (điện hoặc nhiệt năng) Như vậy máylạnh cũng là một loại bơm nhiệt và có chung một nguyên lý hoạt động Các thiết bịcủa chúng là giống nhau Người ta chỉ phân biệt máy lạnh với bơm nhiệt ở mục đích

sử dụng mà thôi Máy lạnh gắn với việc sử dụng nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi cònbơm nhiệt gắn với việc sử dụng nguồn nhiệt ở thiết bị ngưng tụ Do yêu cầu sử dụngnguồn nhiệt nên bơm nhiệt hoạt động ở cấp nhiệt độ cao hơn

Cũng như máy lạnh, bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngược với các quá trìnhchính như sau:

1 – 2: quá trình nén hơi môi chất từ áp suất thấp, nhiệt độ thấp lên áp suất cao vànhiệt độ cao trong máy nén hơi Qúa trình nén là đoạn nhiệt

2 – 3: quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, thải nhiệt cho môitrường.

3 – 4: quá trình tiết lưu đẳng entanpi (i3 = i4) của môi chất lỏng qua van tiết lưu từ

áp suất cao xuống áp suất thấp

4 – 1: quá trình bay hơi đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp, thu nhiệt của

môi trường lạnh

Mục đích sử dụng chính của bơm nhiệt là lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ.Năng suất nhiệt của bơm nhiệt chính là phương trình cân bằng nhiệt ở máy lạnh:

qk = qo + lHiện nay, người ta chế tạo nhiều loại bơm nhiệt làm việc theo nhiều nguyên lýkhác nhau như bơm nhiệt hấp thụ, bơm nhiệt nén khí, bơm nhiệt nén hơi, bơm nhiệtnhiệt điện Nói chung, hiện nay tất cả các loại bơm nhiệt đều được sử dụng nhưngđược sử dụng rộng rãi nhất vẫn là bơm nhiệt nén hơi

Ngoài bốn loại bơm nhiệt nói trên chúng còn được ghép lại với nhau nhằm đạthiệu quả nhất định Ví dụ bơm nhiệt hấp thụ - nén hơi nhằm mục đích tăng nhiệt độngưng tụ, qua đó tăng nhiệt độ chất tải nhiệt Nguyên lý hoạt động chủ yếu như máylạnh hấp thụ nhưng giữa bình sinh hơi và dàn ngưng người ta lắp thêm một máy nénhút hơi từ bình sinh hơi và nén vào dàn ngưng Áp suất ngưng tụ cao lên đưa nhiệt

độ ngưng tụ cao lên theo, và hệ số nhiệt của nó tăng lên đáng kể

2.3 Hệ số nhiệt của bơm nhiệt

Để đánh giá hiệu quả chuyển hóa năng lượng, ta dùng hệ số nóng (hệ số bơm

nhiệt) với định nghĩa: hệ số nóng  là nhiệt lượng môi chất thải cho nguồn nóngứng với một đơn vị công hổ trợ và được biểu thị bằng:

q k

(2-1)Nếu sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp thì hiệu quả kinh tế còn cao hơn nhiều

vì chỉ cần tiêu tốn một dòng năng lượng l ta được cả năng suất lạnh q0 và năng suấtnhiệt qk như mong muốn Gọi   là hệ số nhiệt lạnh của bơm nhiệt nóng lạnh thì:

Như vậy hệ số nhiệt của bơm nhiệt là đại lượng luôn lớn hơn 1 Do đó ứng dụng

của bơm nhiệt bao giờ cũng có lợi về nhiêt Hệ số nhiệt của bơm nhiệt đóng vai trò

quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt

Hệ số nhiệt thực của bơm nhiệt  nhỏ hơn hệ số nhiệt lý thuyết tính theo chutrình Cácnô c

c





  (2-3)Với hai nguồn nóng - lạnh có nhiệt độ Tk và T0, theo chu trình Cácnô ta có:[4]

0

T T

T

k

k c

Dựa vào phương trình trên ta thấy hệ số nhiệt lý thuyết có thể tính theo chu trìnhCácnô phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ của dàn ngưng tụ và dàn bay hơi Để bơm nhiệtđạt hiệu quả kinh tế cao thì thường người ta phải chọn hiệu nhiệt độ T sao cho hệ

số nhiệt thực tế của bơm nhiệt phải đạt từ 3 đến 4 trở lên, nghĩa là hiệu nhiệt độ phảinhỏ hơn 60K Cũng chính vì lý do đó mà chỉ trong những trường hợp đặc biệt người

ta mới sử dụng hai cấp nén Đó chính là sự khác biệt quan trọng giữa bơm nhiệt vàmáy nén.[12]

2.4 So sánh các phương án cấp nhiệt

Để thấy rõ hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt ta có thể so sánh một số phương

án trên sơ đồ cấp nhiệt từ nguồn năng lượng sơ cấp đến nơi tiêu thụ Nguồn nănglượng sơ cấp là than, dầu mỏ và khí thiên nhiên… Ở nước ta nguồn năng lượng sơcấp chủ yếu là than đá nên ta lấy than đá cho những ví dụ về cấp nhiệt Ví dụ ta cầncấp nhiệt cho lò sấy từ 70 đến 100 oC, nghĩa là nhiệt độ đó phù hợp với khả năngcủa bơm nhiệt

+ Phương án 1:

Dùng than để sản xuất ra điện ở nhà máy nhiệt điện, sau đó sử dụng trực tiếpnăng lượng điện để cấp cho lò sấy thì hiệu suất sử dụng than sẽ là: 100% than –70% hao hụt ở nhà máy điện – 3% hao hụt trên đường tải điện Hiệu suất thực tế là27%

+ Phương án 2:

Nếu sử dụng than để đốt lò hơi, cung cấp nhiệt cho hầm sấy bằng hơi nước thìhiệu suất sử dụng than như sau: 100% than sản xuất ở mỏ – 6% hao hụt khi vậnchuyển bốc dở – 50% hao hụt ở lò hơi Hiệu suất thực tế là 44%

+ Phương án 3:

Các điều kiện như trong phương án 1, nhưng không sử dụng trực tiếp năng lượngđiện qua các bộ đốt điện trở mà sử dụng qua bơm nhiệt nén hơi Với hệ số nhiệt củabơm nhiệt  = 3 – 4 tùy theo T , Sp cũng tăng lên gấp 3 - 4 lần

+ Phương án 4:

Giống như phương án 2 nhưng năng lượng hữu ích 44% đó không sử dụng trựctiếp ngay cho hầm sấy mà sử dụng qua một bơm nhiệt hấp thụ Theo kinh nghiệm,bơm nhiệt có hệ số A 1,4 Như vậy năng lượng hữu ích sẽ tăng lên 1,4 lần: Sp,A=1,4.44% 62%

+ Phương án 5:

Sử dụng than đốt cho buồng sấy trực tiếp qua thiết bị trao đổi nhiệt thì nănglượng hữu ích là 100% trừ đi 6% tổn thất vận chuyển, 32% cho thiết bị biến đổinăng lượng tại chổ Vậy Sp= 62%

2.5 Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt

1) Môi chất và cặp môi chất

Môi chất và cặp môi chất của bơm nhiệt có yêu cầu như máy lạnh Một vài yêucầu đặc biệt hơn xuất phát từ nhiệt độ sôi và ngưng tụ cao hơn, gần giống như chế

độ nhiệt độ cao của điều hòa không khí, nghĩa là cho đến may người ta vẫn sử dụngcác loại môi chất như: R12, R22, R502 và MR cho máy nén tuabin Gần đây người

ta chú ý đến việc sử dụng các môi chất mới cho bơm nhiệt nhằm nâng cao nhiệt độdàn ngưng như: R21, R113, R114, R12B1, R142…

2) Máy nén lạnh

Cũng như máy nén lạnh, máy nén là bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt Tất

cả các dạng máy nén của máy lạnh đều được ứng dụng trong bơm nhiệt Đặc biệtquan trọng là máy nén piston trượt, máy nén trục vít và máy nén tuabin Một máynén bơm nhiệt cần phải chắc chắn, tuổi thọ cao, chạy êm và cần phải có hiệu suấtcao trong điều kiện thiếu hoặc đủ tải

3) Các thiết bị trao đổi nhiệt

Các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản trong bơm nhiệt là thiết bị bay hơi và ngưng tụ.Máy lạnh hấp thụ có thêm thiết bị sinh hơi và hấp thụ Giống như máy lạnh, thiết bịngưng tụ và bay hơi của bơm nhiệt cũng bao gồm các dạng: ống chùm, ống lồngngược dòng, ống đứng và ống kiểu tấm Các phương pháp tính toán cũng giống nhưchế độ điều hoà nhiệt độ

4) Thiết bị phụ của bơm nhiệt

Tất cả các thiết bị phụ của bơm nhiệt giống như thiết bị phụ của máy lạnh Xuấtphát từ yêu cầu nhiệt độ cao hơn nên đòi hỏi về độ tin cậy, công nghệ gia công thiết

bị cao hơn Đây cũng là vấn đề đặt ra đối với dầu bôi trơn và đệm kín các loại trong

hệ thống

Do bơm nhiệt phải hoạt động ở chế độ áp suất và nhiệt độ gần sát với giới hạn tối

đa nên các thiết bị tự động rất cần thiết và phải hoạt động với độ tin cậy cao đểphòng hư hỏng thiết bị khi chế độ làm việc vượt quá giới hạn cho phép

Đối với van tiết lưu, bơm nhiệt có chế độ làm việc khác máy lạnh nên cũng cần

có van tiết lưu phù hợp

5) Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt

Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt là những thiết bị hổ trợ cho bơm nhiệt phù hợpvới từng phương án sử dụng của nó Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt gồm một số loại sau:

+ Các phương án động lực của máy nén như: động cơ điện, động cơ gas, động cơ

diesel hoặc động cơ gió…

+ Các phương án sử dụng nhiệt thu ở dàn ngưng tụ Nếu là sưởi ấm thì có thể sửdụng dàn ngưng trực tiếp hoặc gián tiếp qua một vòng tuần hoàn chất tải nhiệt, cóthể sử dụng để sấy, nấu ăn, hút ẩm…Mỗi phương án đòi hỏi những thiết bị hổ trợkhác nhau

+ Các phương án cấp nhiệt cho dàn bay hơi Trường hợp sử dụng dàn lạnh đồngthời với nóng thì phía dàn bay hơi có thể là buồng lạnh hoặc chất tải lạnh Ngoài racòn có thể sử dụng dàn bay hơi đặt ngoài không khí, dàn bay hơi sử dụng nướcgiếng là môi trường cấp nhiệt Còn có những phương án như dàn bay hơi đặt ở dướinước, đặt ở dưới đất hoặc sử dụng năng lượng mặt trời

+ Các thiết bị điều khiển, kiểm tra tự động sự hoạt động của bơm nhiệt và cácthiết bị hổ trợ Đây là những thiết bị tự động điều khiển các thiết bị phụ trợ ngoàibơm nhiệt để phù hợp với hoạt động của bơm nhiệt

2.6 Ứng dụng của bơm nhiệt trong nền kinh tế quốc dân

Như đã trình bày, bơm nhiệt có thể được ứng dụng trong tất cả các cơ sở có nhucầu năng lượng ở khoảng nhiệt độ thấp từ 40 – 80 0C hoặc có thể cao đến 115 – 120

0C Nếu như nhu cầu về nóng lạnh tương đối ăn khớp nhau thì hiệu quả kinh tế củabơm nhiệt càng lớn

Khi sử dụng bơm nhiệt cần chú ý hiệu quả kinh tế của nó biểu hiện qua hệ sốbơm nhiệt  Hệ số nhiệt của bơm nhiệt  phụ thuộc rất nhiều vào hiệu nhiệt độcủa dàn ngưng và dàn bay hơi Ngoài ra, muốn bơm nhiệt đạt hiệu quả cao thì nhucầu về nóng lạnh phải liên tục và ổn định để thời gian hoàn vốn của thiết bị là thấpnhất

Sau đây là một số ứng dụng cụ thể của bơm nhiệt:

2.6.1 Ứng dung bơm nhiệt trong công nghiệp sấy, hút ẩm

Bơm nhiệt hút ẩm có cấu tạo như hình vẽ trang bên

Hình a: Bơm nhiệt hút ẩm Hình b:Trạng thái không khí khi đơn giản qua khử ẩm ở bơm nhiệt hút ẩm.

1 - Máy nén; 2 - Dàn ngưng; A - Trước dàn bay hơi

3 - Tiết lưu; 4 – Dàn bay hơi; B – Sau dàn bay hơi

5 - Quạt gió; 6 – Khay hứng nước; C – Sau dàn ngưng

bên được bọc kín để không khí chỉ có thể đi theo một hướng từ dàn bay hơi ra phíadàn ngưng tụ Không khí được hút qua bơm nhiệt nhờ quạt hướng trục 5 Không khítrong phòng đầu tiên đi qua dàn bay hơi với trạng thái ban đầu ở điểm A có độ ẩmtương đối 1 và nhiệt độ t1 Khi vào dàn bay hơi, nhiệt độ giảm xuống, độ ẩmtương đối tăng lên đến trạng thái bảo hoà Một phần ẩm ngưng tụ lại chảy xuốngkhay bên dưới Không khí sau khi ra khỏi dàn bay hơi ở trạng thái B với  = 100%.Sau đó không khí đã khử ẩm đi qua dàn ngưng tụ, nhận nhiệt và nhiệt độ tăng lên t2,

độ ẩm tương đối giảm xuống  2   1 Hình b biểu diễn trạng thái không khí trên đồthị I – d Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn ngưng bao giờ cũng lớn hơn vì phải nhậnthêm nhiệt do công của máy nén sinh ra và hơi nước ngưng tụ lại ở dàn bay hơi.Nếu yêu cầu nhiệt độ thấp hơn ta có thể có phương án sử dụng một phần nhiệtlượng dàn ngưng vào mục đích khác Một máy hút ẩm như vậy có thể đặt những nơi

phẩm dễ mốc, nấm như các hàng mây tre, sơn mài, cói, các mặt hàng công nghệphẩm, nông lâm hải sản xuất khẩu….Đối với nước ta, một nước khí hậu nóng ẩm,nấm mốc và vi sinh vật phát triển rất nhanh làm hư hỏng và làm giảm chất lượnghầu hết tất cả các mặt hàng công, nông, lâm, ngư nghiệp đặc biệt là các mặt hàngxuất khẩu gây tổn thất về kinh tế không nhỏ Nếu ứng dụng được bơm nhiệt vàocông nghiệp sấy và hút ẩm chắc chắn sẽ mang lại ý nghĩa kinh tế to lớn.

2.6.2 Bơm nhiệt ứng dụng trong công nghiệp chưng cất, bay hơi, cô đặc

Bơm nhiệt chu trình hở được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chưng cất,tách chất, bay hơi cô đặc Sau đây ta giới thiệu một số ví dụ về ứng dụng của bơmnhiệt trong lĩnh vực này

Sơ đồ hình 1 giới thiệu bơm nhiệt chu trình hở để bay hơi cô đặc Bán thànhphẩm A được làm nóng sơ bộ qua hai thiết bị trao đổi nhiệt 4 và 5 rồi đi vào thápbay hơi kiểu ống đứng, nhận nhiệt của hơi nén có nhiệt độ cao khi ngưng tụ do máynén tuabin 1 nén vào, sau đó được đưa xuống bộ tách lỏng 3 Hơi B được máy nénhút và nén lên đến áp suất cao đưa trở lại tháp bay hơi 2 Thành phẩm chảy qua thiết

bị trao đổi nhiệt 5 ra ngoài Nước ngưng hoặc lỏng ngưng tụ C được đưa qua traođổi nhiệt 4 ra ngoài

Hình 2 giới thiệu một thiết bị cô đặc cũng bằng chu trình hở nhưng thiết bị bố trígọn hơn Bán thành phẩm cần cô đặc (đồ uống, hoá chất, dược phẩm…) được đưavào thùng sấy và cho chảy tưới lên trên bề mặt ngoài của thiết bị ngưng tụ hơi nước

để nhận nhiệt của hơi nước ngưng tụ Hơi nước sinh ra sẽ được máy nén hút về vànén lên áp suất cao rồi đẩy vào bình ngưng tụ hơi nước Như vậy nhiệt lượng cầnthiết để bay hơi chính do nhiệt lượng hơi do máy nén hút ra cung cấp Người ta chỉcần tiêu tốn một năng lượng nhỏ để duy trì máy nén hoạt động mà thôi Quá trình cứthế lặp đi lặp lại cho đến khi nào đạt được nồng độ yêu cầu Năng lượng tiêu haocho một kg ẩm giảm từ 2790 kJ/kg ẩm đối với phương pháp cô đặc cổ điểm giảmxuống còn khoảng 70 kJ/kg ẩm Khi dùng bơm nhiệt chu trình hở, rõ ràng hiệu quảnăng lượng của bơm nhiệt chu trình hở trong công nghiệp cô đặc là rất to lớn

Tuy vậy, bơm nhiệt cho chu trình hở cũng có những nhược điểm:

- Khó vận hành với dung dịch đặc, chỉ phù hợp với dung dịch loãng.

- Khó hoặc không thể vận hành được với dung dịch có độ nhớt quá cao.

- Tỉ số nén ở máy nén thường rất cao khi nhiệt độ bay hơi thấp.

Đối với công nghiệp chưng cất người ta có thể sử dụng bơm nhiệt với hiệu quảkinh tế cao Thường trong các tháp chưng cất dầu mỏ, hoá chất, bia rượu… người taphải gia nhiệt ở đáy tháp và làm mát ở đỉnh tháp Hiệu nhiệt độ giữa đỉnh tháp và

phía đỉnh tháp để làm ngưng tụ chất dể bay hơi, còn đặt dàn ngưng ở phía đáy tháp

để gia nhiệt cho dung dịch khó bay hơi

2.6.3 Ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm.

Công nghiệp chế biến thực phẩm cũng là lĩnh vực có khả năng sử dụng bơmnhiệt kết hợp nóng lạnh với hiệu quả kinh tế cao vì hầu hết các ngành chế biến thựcphẩm như thịt, cá, bơ, sữa, bánh kẹo, đồ hộp…đều cần lạnh để bảo quản và cầnnước nóng để đun, nấu, tẩy rửa, vệ sinh, diệt khuẩn…

Trước đây, trong một xí nghiệp thực phẩm thường có các kho lạnh để bảo quản

và các nồi hơi để cấp nhiệt cho quy trình công nghệ sản xuất, chế biến

Ngày nay, các nước tiên tiến trên thế giới đều sử dụng bơm nhiệt kết hợp nónglạnh để cấp nhiệt và cấp lạnh với hiệu quả kinh tế cao

Nhiều xí nghiệp đã cải tạo lại hệ thống lạnh để đồng thời sử dụng cả hai nguồnnóng và lạnh, tránh lãng phí nguồn nhiệt bị bỏ phí trước đây ở thiết bị ngưng tụ.Nói chung, ngoài công nghiệp thực phẩm và các ứng dụng đã nêu, bơm nhiệt cóthể ứng dụng cho mọi ngành, mọi nơi có yêu cầu năng lượng nhiệt ở nhiệt độ thấpnhư sấy, sưởi ấm, chuẩn bị nước nóng…

Chương 3 CÔNG NGHỆ SẤY RAU QUẢ

3.1 Sơ lược về các sản phẩm rau quả

Các sản phẩm rau quả ở Việt Nam rất phong phú và đa dạng Tuỳ vào từng mùa,từng vùng, quá trình canh tác sẽ có nhiều loại khác nhau

Một số tính chất của rau quả liên quan đến quá trình sấy:

Trong quá trình sấy rau quả xảy ra một loạt biến đổi hóa sinh, hóa lý, cấu trúc cơhọc và các biến đổi bất lợi khác làm ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm Nhữngbiến đổi cơ học bao gồm sự biến dạng, nứt, cong queo, biến đổi độ xốp Hàmlượng vitamin trong rau quả sấy thường thấp hơn trong rau quả tươi vì chúng bị pháhủy một phần trong quá trình sấy và xử lý trước khi sấy

Để tránh hoặc làm chậm các biến đổi không thuận nghịch ấy, cũng như tạo điềukiện để ẩm thoát ra khỏi rau quả một cách dễ dàng, cần có chế độ sấy thích hợp chotừng loại sản phẩm

3.2 Công nghệ sấy rau quả

Sấy rau quả thường được thực hiện dưới ba dạng: nguyên dạng, lát mỏng, tinhbột hoặc nhũ tương Tuỳ theo hình thức sản phẩm, công nghệ sấy rau quả có thểthực hiện theo sơ đồ sau:(Hình 1.1)

Công đoạn chần, hấp nhằm tạo những biến đổi hoá lý thuận lợi cho quá trình sấysau này Dưới tác dụng của hơi nước, các vi sinh vật bị tiêu diệt, các hệ thống enzimmất hoạt tính, hạn chế tối đa khả năng biến màu trong khi sấy rau quả Những sản

phẩm nhiều tinh bột khi chần sẽ làm hồ hoá tinh bột, phá vỡ cân bằng bên trong tế

bào dẫn đến sự thay đổi cấu trúc hệ thống có lợi cho quá trình trao đổi nhiệt lúc sấy

Xử lý hoá chất nhằm hạn chế quá trình oxy hoá làm biến màu hoa quả khi sấy.Các chất chống oxy hoá thường được sử dụng là: axit sunfurơ, ascobic, xitric và cácmuối Natri của axit phốtphoric sunfurơ

H ình 1.1 Sơ đồ công nghệ sấy rau quả

Trong kỹ thuật sấy màng bọt, cho chất nhũ tương hoà vào nước quả hay purê với

tỉ lệ 0,5-1% Chất hồ sẽ làm tăng khả năng tạo bọt màng mỏng làm tăng gấp bội bềmặt trao đổi nhiệt ẩm dẫn đến làm tăng khả năng bốc ẩm mà chất lượng ban đầukhông bị biến đổi mấy Các chất sinh nhũ tương được dùng phổ biến như: mono-stearat của glyxerin, của sacaraza và của saboza

Cô đặc Sấy Nghiền nhỏ

Thành phẩm dạng bột

Bao gói

Ép bánh

Thành phẩm dạng nguyênBao gói

Nguyên liệuRửaChọn - phân loạiGọt sửa

Cắt miếng(Hoặc để nguyên)Chần (hấp)

Xử lý hoá chất

Sấy

Thành phẩm dạng bản mỏng Bao gói Sấy

3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

1 Nhiệt độ sấy

Yếu tố ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm rau quả khô là nhiệt độ sấy.Nếu nhiệt độ sản phẩm trong quá trình sấy cao hơn 60 oC thì prôtêin bị biến tính.Nếu trên 90 oC thì fruetoza bắt đầu bị caramen hoá, các phản ứng tạo ra mebanoizin,polime hoá hợp chất cao phân tử xảy ra mạnh và ở nhiệt độ cao hơn nữa rau quả

có thể bị cháy Rau quả đòi hỏi có chế độ sấy ôn hoà (nhiệt độ thấp) Nếu loại rauquả ít thành phần protêin thì nhiệt độ đốt nóng sản phẩm có thể lên đến 80-90 oC.Nếu tiếp xúc nhiệt trong thời gian ngắn như sấy phun thì nhiệt độ sấy có thể lên đến

150 oC Đối với sản phẩm không chần như chuối, đu đủ thì có thể sấy nhiệt độ cao,giai đoạn đầu 90-100 oC, sau đó giảm dần xuống

Quá trình sấy còn phụ thuộc vào tốc độ tăng nhiệt của vật liệu sấy Nếu tốc độtăng nhiệt quá nhanh thì bề mặt mặt quả bị rắn lại và ngăn quá trình thoát ẩm.Ngược lại, nếu tốc độ tăng chậm thì cường độ thoát ẩm yếu

2 Độ ẩm không khí.

Muốn nâng cao khả năng hút ẩm của không khí thì phải giảm độ ẩm tương đốicủa nó xuống Có 2 cách làm giảm độ ẩm tương đối của không khí:

- Tăng nhiệt độ không khí bằng cách dùng calorife

- Giảm nhiệt độ không khí bằng cách dùng máy hút ẩm.

Thông thường khi vào lò sấy, không khí có độ ẩm 10 - 13% Nếu độ ẩm củakhông khí quá thấp sẽ làm rau quả nứt hoặc tạo ra lớp vỏ khô trên bề mặt, làm ảnhhưởng xấu đến quá trình thoát hơi ẩm tiếp theo Nhưng nếu độ ẩm quá cao sẽ làmtốc độ sấy giảm

Khi ra khỏi lò sấy, không khí mang theo hơi ẩm của rau quả tươi nên độ ẩm tănglên (thông thường khoảng 40 - 60%) Nếu không khí đi ra có độ ẩm quá thấp thì sẽtốn năng lượng; ngược lại, nếu quá cao sẽ dễ bị đọng sương, làm hư hỏng sản phẩmsấy Người ta điều chỉnh độ ẩm của không khí ra bằng cách điều chỉnh tốc độ lưuthông của nó và lượng rau quả tươi chứa trong lò sấy

3 Lưu thông của không khí.

Trong quá trình sấy, không khí có thể lưu thông tự nhiên hoặc cưỡng bức Trongcác lò sấy, không khí lưu thông tự nhiên với tốc độ nhỏ (nhỏ hơn 0,4m/s), do vậythời gian sấy thường kéo dài, làm chất lượng sản phẩm sấy không cao Để khắcphục nhược điểm này, người ta phải dùng quạt để thông gió cưỡng bức với tốc độtrong khoảng 0,4 - 4,0 m/s trong các thiết bị sấy Nếu tốc độ gió quá lớn (trên 4,0 m/s) sẽ gây tổn thất nhiệt lượng.

4 Độ của lớp sấy.

Độ dày của lớp rau quả sấy cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy Lớp nguyên liệucàng mỏng thì quá trình sấy càng nhanh và đồng đều, nhưng nếu quá mỏng sẽ làmgiảm năng suất của lò sấy Ngược lại, nếu quá dày thì sẽ làm giảm sự lưu thông củakhông khí, dẫn đến sản phẩm bị "đổ mồ hôi" do hơi ẩm đọng lại

Thông thường nên xếp lớp hoa quả trên các khay sấy với khối lượng 5 – 8 kg/m2

là phù hợp

3.4 Sơ lược về quả Mít

Mít là loại cây gỗ to, cao 15 20m

(có thể hơn) Cành non có lông mềm

gồm nhiều hoa, bao hoa hình ống có hai

phiến dính nhau ở hai đầu, nhị có bao

phấn rộng, cụm hoa cái mọc trên thân

hoặc cành già, hình bầu dục, có nhiều

hoa, bao hoa hình trụ Quả mít là quả

phức to hình bầu dục, vỏ ngoài có nhiều

gai nhọn gồm nhiều quả thịt mềm, hạt to

Quả mít lúc thu hoạch có khối lượng từ (4 - 25) kg Quả mít có thể dài từ (20 - 90)cm; đường kính từ (15 - 50) cm Mổi quả Mít có thể có 100 - 500 hạt tương ứng với

100 - 500 múi ( Mỗi múi là một quả đơn)

Mít là cây mọc hoang dại trong các vùng rừng mưa ở Ấn Độ Mít ưa khí hậunóng ẩm, mưa nhiều, Mít chịu hạn tốt nhờ bộ rể ăn sâu và kém chịu úng Hiện nay,Mít được trồng nhiều ở các nước: Ấn Độ, Xrilanca, Lào, Việt Nam, Thái Lan…và

đã trở thành loại cây ăn quả quan trọng của nhiều nước Thái Lan có diện tích trồngMít là 40700 ha; Philippin 13000 ha; Malaysia 1500 ha…[19].

Thành phần hóa học của Mít:

Phần thịt ăn được của quả Mít chiếm 25 – 40 % trọng lượng của quả Trong 100gphần này chứa 72 – 77,2g nước; 1,3 – 2g protein; 0,1 – 0,4g chất béo; 18,9 – 25,4gcarbohydrat; 0,8 – 1,1g chất xơ; 0,8 – 1,4g tro; Vitamin A chiếm 175 – 540 đơn vịquốc tế; Niacin 0,9 – 4 mg; Vitamin C từ 8 – 10g.[19]

Phần không ăn được của quả Mít giàu Pectin dùng để chế biến Mứt Hạt chứa70% tinh bột; 5,2% Prôtít; 0,62% chất béo; 1,4% muối khoáng Hạt Mít có thể đượcsấy để làm thực phẩm thay thế gạo

Mít là loại cây ăn quả có giá trị và cũng là một cây thuốc quý Ngày nay, đã córất nhiều sản phẩm chế biến từ quả mít được nhiều người ưa chuộng như: Mít sấy,thức ăn từ hạt Mít, các loại nước ép từ Mít và Mít đóng hộp Ở Việt Nam, đã córất nhiều công ty thành công trong việc xuất khẩu ra thị trường thế giới các sảnphẩm từ hoa quả đặc biệt là Mít Điển hình là công ty Vinamit Tuy nhiên, côngnghệ sấy hoa quả của các công ty này vẫn là nhập các dây chuyền công nghệ sấythăng hoa và dùng hơi nước từ nước ngoài nên giá thành sản phẩm vẫn còn khá cao

ươ ng 4 LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ TRÌNH SẤY

4.1 Lựa chọn phương án sấy

Như đã trình bày ở chương 3, các loại rau quả rất nhạy cảm với nhiệt độ sấy cao

Vì vậy cần có phương án sấy thích hợp để rau quả sấy đạt chất lượng cao, giữnguyên được màu sắc và mùi vị Mít cũng là loại quả có màu sắc và mùi vị rất đặctrưng Vì vậy, khi sấy Mít ta cũng cần tìm những biện pháp để giữ lại những nét đặctrưng của loại quả này Từ những phân tích về hiệu quả của bơm nhiệt trong côngnghệ sấy lạnh ở chương 1, ta chọn hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt để sấy Mít

4.2 Chọn loại thiết bị sấy

Để phù hợp với yêu cầu của đề tài, ta chọn loại thiết bị sấy buồng dùng bơmnhiệt Sơ đồ nguyên lý của thiết bị như hình vẽ

Nguyên lý:

Ban đầu, không khí ngoài trời có trạng thái O(t0, 0) được đưa qua dàn lạnh Tạiđây, môi chất lạnh được đưa từ dàn nóng qua van tiết lưu 6 vào dàn lạnh rồi trao đổinhiệt Q2 với không khí Bản thân môi chất hoá hơi rồi được hút về máy nén Khôngkhí trong buồng lạnh nhả nhiệt cho dàn lạnh làm cho nhiệt độ của nó giảm từ t0

xuống t và tiếp tục giảm xuống t Quá trình làm lạnh không khí làm cho không khí

ẩm trở nên quá bảo hoà, nước ngưng tụ sẽ được thoát ra ngoài Máy nén tiêu thụnăng lượng Nb đưa môi chất lạnh đến dàn nóng Không khí có nhiệt độ t1 được đưaqua dàn nóng Ở đây, môi chất toả nhiệt Q1 ra không khí làm cho nhiệt độ củakhông khí tăng lên từ t1 đến t2 Sau đó, không khí đi qua buồng sấy, trao đổi nhiệt

ẩm với vật liệu sấy và thực hiện quá trình sấy làm bay hơi ẩm Wh từ vật liệu Khôngkhí ra khỏi buồng sấy có thông số (t3, 3) được quạt 4 thổi vào buồng lạnh và tiếptục thực hiện quá trình sấy kín Do đó trong quá trình sấy lý thuyết không chịu sựảnh hưởng cuả nhiệt độ môi trường Nếu năng suất lạnh của dàn lạnh không đủ đểlàm lạnh không khí thì người ta dùng nước bổ sung đưa vào làm mát không khí Đểgiảm khoảng điều chỉnh công suất nhiệt của bơm nhiệt người ta bố trí thêm bộ phậngia nhiệt bằng điện 7 để gia nhiệt bổ sung ở đầu quá trình sấy mà bơm nhiệt khôngđáp ứng được Sơ đồ nguyên lý này được thể hiện rõ hơn trên hình vẽ bên.(hình 4.1)

= 161,54 kg/mẻ+ Khối lượng riêng: m = 916 kg/m3

4.3.2 Tác nhân sấy

Ta chọn tác nhân sấy là không khí với các thông số sau:

* Thông số ngoài trời