Thiết kế máy sấy năng lượng mặt trời 5 kw

Các nguồn năng lượng mới có thể thay thế như: pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, năng lượng thuỷ triều, năng lượng gió… Trong đó năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THỰC PHẨM TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

MÔN: KĨ THUẬT THỰC PHẨM 2 TÍNH TOÁN THIẾT BỊ SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

CÔNG SUẤT 5KW

GVHD: Đào Thanh Khê Nhóm: 2.01

Vũ Huy Dương 2005100005 Đào Thị Hồng Hà 2005100006 Đặng Minh Hoàng 2005100014

Lý Thuận Long 2005100041 Nguyễn Thanh Nguyên 2005100032 Ngô Thị Ngọc Thạch 2005100926 Trịnh Đình Trung Trực 2005100019 Cao Phương Uyên 2005100017 Trần Thị Hồng Xine 2005100023

BẢNG PHÂN CÔNG

STT TÊN THÀNH VIÊN MSSV NHIỆM VỤ (mô tả rõ) KÝ TÊN

1 Vũ Huy Dương 2005100005 Làm phần Tổng quan

5 Lý Thuận Long 2005100041 Thiết kế thiết bị sấy

Cao Phương Uyên 2005100017 Xây dựng công thức

Thiết kế thiết bị sấy

Vẽ thiết bị

10

Trần Thị Hồng Xine 2005100023 Xây dựng công thức

Thiết kế thiết bị sấy

Vẽ thiết bị

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1 Năng lượng mặt trời và các ứng dụng 3

1.2 Các dạng truyền nhiệt 4

1.2.1 Dẫn nhiệt 4

1.2.2 Đối lưu nhiệt 4

1.2.3 Bức xạ nhiệt 4

1.3 Sấy bằng năng lượng mặt trời 5

1.3.1 Khái niệm 5

1.3.2 Các loại máy sấy năng lượng mặt trời 6

1.4 Collector 7

1.4.1 Bề mặt hấp thụ 7

1.4.2 Tấm phủ trong suốt 8

1.4.3 Khung đỡ Collector 9

1.4.4 Cách nhiệt Collector 10

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ SẤY BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÓ CÔNG SUẤT 5KW 11

2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động 11

2.2 Tính toán và thiết kế Collector 12

2.2.1 Xây dựng công thức 12

2.2.2 Tính toán Collector 14

2.3 Thiết kế Collector 16

KẾT LUẬN 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 19

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, ngành công nghiệp trên thế giới đang từng bước phát triển mạnh mẽ

Do đó nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng, trong khi đó nguồn năng lượng hoá thạch như than đá, dầu mỏ… ngày càng cạn kiệt, đòi hỏi phải có một nguồn năng lượng mới thay thế Các nguồn năng lượng mới có thể thay thế như: pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, năng lượng thuỷ triều, năng lượng gió… Trong đó năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng thay thế rất có triển vọng đang được quan tâm nhất hiện nay

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô tận, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp Nó đang từng bước được sử dụng mạnh mẽ vào đời sống hàng ngày với sự xuất hiện đa dạng các sản phẩm như: pin, bếp nấu, thiết bị sấy, bơm nước nóng Trong đó các thiết bị sấy được ứng dụng rất cần thiết cho ngành công nghiệp thực phẩm, và đó cũng chính là mục đích nghiên cứu trong bài tiểu luận này

với đề tài “Tính toán thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5kW”

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu và tính toán để đưa ra mô hình thiết bị sấy năng lượng mặt trời có công suất là 5kW

3 Nội dung nghiên cứu

- Đưa ra mẫu thiết bị máy sấy dùng năng lượng mặt trời phù hợp

- Vẽ sơ đồ thiết bị máy sấy dùng năng lượng mặt trời

- Tính toán và thiết kế Collector

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu dựa trên lý thuyết

5 Tài liệu nghiên cứu

- Các tài liệu về truyền nhiệt

- Các tài liệu về sấy

- Các tài liệu về thiết bị trao đổi nhiệt

6 Bố cục tiểu luận

Nội dung của bài tiểu luận gồm 2 chương:

- Chương 1: Tổng quan

- Chương 2: Thiết bị sấy năng lượng mặt trời có công suất 5kW

Trong quá trình nghiên cứu bài tiểu luận không tránh khỏi những thiếu sót vì vậy nhóm chúng em rất mong được thầy và các bạn đọc đóng góp ý kiến thêm để bài tiểu luận được hoàn thiện hơn Xin chân thành cảm ơn!

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng 12 năm 2012

Nhóm sinh viên thực hiện

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Năng lượng mặt trời và các ứng dụng

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch nhất và vô hạn nhất trong các nguồn năng lượng mà chúng ta biết

Bức xạ mặt trời là sức nóng, ánh sáng dưới dạng các chùm tia do mặt trời phát ra trong quá trình tự đốt cháy mình Bức xạ mặt trời chứa đựng một nguồn năng lượng khổng lồ và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiên trên trái đất Năng lượng mặt trời dù rất dồi dào nhưng việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng tự nhiên này thì vẫn còn là một vấn đề lớn

Năng lượng mặt trời có thể chia làm 2 loại cơ bản: quang năng và nhiệt năng + Các tế bào quang điện hay còn gọi là pin mặt trời hiện đang được sử dụng rất rộng rãi Các tế bào quang điện sử dụng công nghệ bán dẫn để chuyển hóa trực tiếp năng lượng quang học thành dòng điện, hoặc tích trữ vào pin, ắc quy để sử dụng sau đó

+ Nhiệt năng có thể được sử dụng trực tiếp để đun nóng nước phục vụ cho sinh hoạt Ở rất nhiều khu vực khác nhau trên thế giới, thiết bị đun nước nóng dùng năng lượng mặt trời (bình nước nóng năng lượng mặt trời) hiện đang là một sự bổ sung quan trọng hay một sự thay thế cho các thiết bị cung cấp nước nóng thông thường dùng điện hoặc gas

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8” bắc đến 23” bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với trị số tổng bức xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời, dùng năng lượng mặt trời chạy các động cơ nhiệt…

Ngày nay, cùng với khoa học ngày càng tiến bộ, nhu cầu của con người ngày càng cao thì có nhiều ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời hơn, và đã có nhiều người sử dụng năng lượng mặt trời để sấy nguyên liệu, các loại nông sản…

1.2 Các dạng truyền nhiệt

Quá trình vận chuyển nhiệt lượng từ một lưu thể này sang lưu thể khác qua

một tường ngăn cách gọi là truyền nhiệt

Truyền nhiệt là một quá trình phức tạp xảy ra đồng thời 3 dạng trao đổi nhiệt

cơ bản như: trao đổi nhiệt bằng dẫn nhiệt, trao đổi nhiệt bằng đối lưu nhiệt và trao đổi nhiệt bằng bức xạ nhiệt

1.2.1 Dẫn nhiệt

Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt năng từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp do sự truyền động năng hoặc dao động va chạm vào nhau, nhưng không có sự chuyển rời vị trí giữa các phân tử vật chất

Dẫn nhiệt chỉ xảy ra khi truyền nhiệt trong các chất rắn hoặc truyền nhiệt trong chất lỏng, chất khí đứng yên hay chuyển động dòng

1.2.2 Đối lưu nhiệt

Nhiệt đối lưu là sự truyền nhiệt mà các phân tử lỏng hoặc khí nhận nhiệt rồi đổi chỗ cho nhau sự đổi chỗ do chênh lệch khối lượng riêng hay do các tác động cơ học như: bơm, khuấy…

Quá trình tỏa nhiệt đối lưu xảy ra khi có sự trao đổi nhiệt giữa chất lỏng, chất khí với bề mặt rắn

Có hai loại đối lưu là đối lưu tự nhiên và đối lưu cưỡng bức Đối lưu tự nhiên: dòng vật chất chuyển động nhờ nội năng trong chất lỏng, khí,…Đối lưu cưỡng bức: dòng chuyển động do ngoại lực tác dụng, ví dụ như quạt, bơm,…

1.2.3 Bức xạ nhiệt

Bức xạ nhiệt là sự truyền nhiệt qua không gian mà không cần vật chất dẫn tải; đó là sự truyền nhiệt bằng các tia bức xạ cơ bản: photon

Một vật bất kỳ nào có nhiệt độ > 00

K luôn có sự biến đổi nội năng của vật thành năng lượng sóng điện từ Các sóng này truyền đi trong không gian theo mọi phương theo tốc độ ánh sáng và có nhiều bước sóng  khác nhau

Bảng 1.2.3.1 Chiều dài bước sóng của các tia bức xạ

STT Các tia bức xạ Chiều dài bước sóng



10 ).

0 , 1 5 , 0

10 20

10  

3 Tia tử ngoại 20 10 3  0 , 4 

4 Tia sáng trắng 0 , 4  0 , 8 

5 Tia hồng ngoại 0 , 8  400 

6 Sóng vô tuyến điện 0 , 2mmxkm

Trong kỹ thuật nhiệt người ta quan tâm đến các tia mà ở nhiệt độ thường chúng có hiệu ứng nhiệt cao (vật có thể hấp thu được và biến thành nhiệt năng) và người ta thấy tia sáng trắng có hiệu ứng nhiệt cao Những tia cho hiệu ứng nhiệt cao được gọi là tia nhiệt Quá trình phát sinh và truyền những tia ấy gọi là quá trình bức xạ nhiệt Đặc điểm của quá trình bức xạ nhiệt là luôn gắn liền với việc chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác

1.3 Sấy bằng năng lượng mặt trời

1.3.1 Khái niệm

Sấy là quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu bằng nhiệt Nhiệt được cung cấp cho vật liệu ẩm bằng dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc bằng năng lượng điện trường có tần số cao Mục đích của quá trình là giảm khối lượng của vật liệu, tăng độ bền và bảo quản được tốt

Trong quá trình sấy nước được cho bay hơi ở nhiệt độ bất kỳ do sự khuếch tán bởi sự chênh lệch độ ẩm ở bề mặt và bên trong vật liệu và bởi sự chênh lệch áp

suất riêng phần của nước tại bề mặt vật liệu và môi trường xung quanh Sấy là một quá trình không ổn định, độ ẩm của vật liệu thay đổi theo thời gian và không gian

Trong thiết bị sấy năng lượng mặt trời, nhiệt được cung cấp bởi việc hấp thu trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời của vật sấy Hơi nước được sinh ra được mang

đi bởi không khí thổi ngang qua vật sấy Không khí chuyển động được là nhờ quá trình đối lưu tự nhiên hoặc do quạt thổi cưỡng bức

1.3.2 Các loại máy sấy năng lượng mặt trời

 Tủ sấy dùng năng lượng mặt trời

Thiết bị này có hình dạng là một cái tủ,

một mặt của tủ là kính để thu bức xạ mặt trời

chuyển thành năng lượng nhiệt làm tăng nhiệt

của không khí, buồng sấy và các sản phẩm

sấy, còn các mặt khác được bọc cách nhiệt

Thường thì ánh sáng mặt trời chiếu trực

tiếp đến vật sấy và ẩm thoát ra được không khí

lưu thông cuốn đi, quá trình lưu thông của

không khí có thể là đối lưu tự nhiên hoặc đối

lưu cưỡng bức do quạt thổi, ẩm được thoát ra từ bên trên

Thiết bị này được sử dụng để sấy các loại trái cây hay ngũ cốc như lúa thóc,…

 Thiết bị sấy gián tiếp

Trong các loại thiết bị sấy này, bức xạ mặt trời không trực tiếp chiếu vào sản phẩm sấy mà thông qua tác nhân sấy Tác nhân sấy là không khí được làm nóng bởi các Collector năng lượng mặt trời

Quá trình lưu thông và tuần hoàn của không khí nóng có thể là tuần hoàn đối lưu tự nhiên, nhưng thường là tuần hoàn đối lưu cưỡng bức nhờ quạt Với thiết bị

Hình 1.3.2.1 Tủ sấy dùng

năng lượng mặt trời

này nhiệt độ sấy có thể cao hơn nên thời gian sấy ngắn hơn và chất lượng sản phẩm sấy được tốt hơn

 Thiết bị sấy kiểu nhà kính

Thiết bị này có đặc trưng là có các mặt hướng về phía mặt trời được làm bằng kính, còn các mặt khác được cách nhiệt tốt và làm bằng vật liệu chịu nhiệt và không ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm sấy

Hình 1.3.2.2 Thiết bị sấy kiểu nhà kính

1.4 Collector

Bản thân Collector tạo thành một hộp không khí kín do đó không khí nóng không thể thoát ta được, phía sau Collector cũng có lớp cách nhiệt, do đó nhiệt không thể truyền dễ dàng ra ngoài, phía trước của Collector là một tấm phủ trong suốt, thường là kính, nhiều khi dùng tấm nhựa trong, lớp phủ trong suốt này còn có tác dụng làm tăng quá trình hấp thụ nhiệt nhờ hiệu ứng nhà kính

và cũng như cách lắp đặt nào hoàn hảo về mọi mặt và thích hợp cho mọi đối tượng

Để tăng khả năng hấp thụ người ta thường phủ lên bề mặt hấp thụ một lớp sơn Một

lớp sơn đen có tỷ lệ hấp thụ từ 90 95% năng lượng bức xạ mặt trời và chuyển thành nhiệt

Từ vị trí lắp đặt tấm hấp thụ, tấm phủ trong suốt, đáy cách nhiệt mà tạo thành kênh dẫn khí Kênh dẫn có thể bố trí theo nhiều cách khác nhau như: nằm giữa tấm hấp thụ và đáy cách nhiệt, nằm giữa tấm phủ trong suốt và tấm hấp thụ đặt sát đáy hoặc tấm hấp thụ chia đôi khoảng cách giữa kính và đáy tạo ra hai kênh dẫn song song Dòng khí chảy trong kênh dẫn thường dùng phương pháp đối lưu cưỡng bức (dùng trong công nghiệp sấy) hoặc đối lưu tự nhiên (sưởi ấm gia đình)

1.4.2 Tấm phủ trong suốt

Tấm phủ trong suốt ở vị trí giữa Collector với môi trường ngoài phía trên Collector và hướng về phía mặt trời Chức năng của tấm phủ trong suốt là cách ly

bề mặt hấp thụ với môi trường ngoài, do đó giảm được sự mất mát nhiệt

Tấm phủ trong suốt lý tưởng cần phải cho xuyên qua được với các sóng ngắn bức xạ của mặt trời (các tia bức xạ trực tiếp và bức xạ khuếch tán) đồng thời ngăn cản các tia bức xạ có bước sóng dài phát ra từ bề mặt hấp thụ, tức là tạo được hiệu ứng lồng kính Một chức năng nữa của tấm phủ trong suốt là bảo vệ bề mặt hấp thụ khỏi bị bám bẩn với mục đích kéo dài độ bền của lớp sơn phủ bề mặt hấp thụ

Tuy nhiên tấm phủ trong suốt cũng có sự bất tiện là:

+ Nó có tác dụng làm giảm cường độ bức xạ tới Do đó cần dùng vật liệu với

sự cho xuyên ánh sáng cao, đó là các vật liệu trong suốt như kính

+ Có thêm tấm phủ trong suốt thì giá thành thiết bị sẽ tăng lên, nên việc lựa chọn vật liệu làm tấm phủ trong suốt không chỉ dựa trên tính hiệu quả riêng về kỹ thuật của nó mà còn dựa trên dộ bền, giá thành và sự sẵn có của nó

Số lượng tấm phủ và số khoảng không khí lắp đặt càng lớn thì tấm hấp thụ cách ly với môi trường ngoài càng tốt Tuy vậy mỗi tấm phủ làm giảm tổng năng lượng bức xạ tới được hấp thụ Nhưng sự có lợi của nhiệt nhận được do khả năng cách ly sẽ cao hơn lượng nhiệt mất mát do sự giảm bức xạ đến tấm hấp thụ

Bảng liệt kê dưới đây dẫn đến những kết luận vắn tắt của 3 vật liệu thông dụng dùng làm tấm phủ trong suốt về sự tiện lợi và tính bất tiện của chúng

Bảng 1.2 Ảnh hưởng của các vật liệu khác nhau làm tấm phủ

Kính

- Tương đối ổn định (vững chắc)

- Không có sẵn ở mọi nơi

- Có thể rất đắt

1.4.3 Khung đỡ Collector

Khung đỡ Collector cần thỏa mãn các điều kiện sau:

+ Bảo vệ Collector khỏi bị ảnh hưởng từ môi trường như: mưa, ẩm, gió… + Cấu trúc đơn giản và có độ bền lâu (10 15 năm)

Khung đỡ có thể được chế tạo từ gỗ hoặc kim loại Sự thuận tiện của việc dùng gỗ là hiệu quả cách nhiệt tốt nên không cần thiết phải bảo ôn mặt bên, giá thành có rẻ hơn các loại khác Nếu khung đỡ Collector được chế tạo bằng kim loại thì cần phải sơn bảo vệ, bên ngoài của khung kim loại có cách nhiệt Khi có độ

chênh lệch độ lớn cần chú ý là tấm hấp thụ và tấm kính phủ giãn nở (sự giãn nở về chiều dài của 1m kính thường từ 0o

C đến 100o

C là 1,5 mm) Khi đặt tấm kính nó cần đặt vừa vặn, quan trọng là không cho nước mưa rò vào, nó còn cần phải kín không khí để không khí nóng không thoát ra ngoài được

CHƯƠNG 2 THIẾT BỊ SẤY BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CÓ CÔNG SUẤT 5KW 2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động

 Cấu tạo

Hình 2.1.1 Cấu tạo máy sấy bằng năng lượng mặt trời

 Nguyên lý hoạt động

Hình 2.1.2 Sơ đồ nguyên lý hoạt động máy sấy bằng năng lượng mặt trời

Không khí trước lúc đi vào buồng sấy được nung nóng bởi Collector hấp thụ năng lượng mặt trời, không khí nóng đối lưu cưỡng bức vào buồng sấy đi qua sản

phẩm sấy nhờ sức gió của quạt, làm bốc hơi nước từ vật sấy, không khí nóng thoát

ra ngoài cùng hơi nước trên đỉnh thiết bị

 Ưu và nhược điểm

+ Ưu điểm:

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

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

- Ít gây ô nhiễm môi trường

+ Nhược điểm:

- Kiểm soát điều kiện sấy kém phụ thuộc nhiều vào môi trường

- Tốc độ sấy chậm hơn so với sấy bằng thiết bị (điện trở), do đó chất lượng sản phẩm cũng kém và dao động hơn

- Quá trình sấy phụ thuộc vào thời tiết và thời gian trong ngày đòi hỏi nhiều nhân công

2.2 Tính toán và thiết kế Collector

2.2.1 Xây dựng công thức

 Diện tích của tấm hấp thu

Thiết bị sấy năng lượng mặt trời công suất 5kW có cấu tạo như hình 2.1.1

Công suất 5kW của thiết bị chính là công suất của Collector

Tấm hấp thụ năng lượng mặt trời được làm bằng tấm tole có độ đen () là 0,96 Thiết bị làm việc trong điều kiện trời nắng liên tục từ 8h sáng đến 4h chiều Nhiệt độ trên bề mặt của tấm hấp thụ (T) lúc nóng nhất đo được là 1000C, nhỏ nhất

là 600C Ở đây ta xét nhiệt độ trên bề mặt của tấm tole là 800

C (T = 800C)

Diện tích bề mặt truyền nhiệt của tấm hấp thụ được tính từ công thức:

E

Q F F E

Q   (2.1) Trong đó: F: Diện tích bề mặt của tấm hấp thụ (m2

) Q: Nhiệt lượng mà Collector cần thu được (W)