Hệ thống sấy bơm nhiệt hai tầng kết hợp vi sóng

Nghiên cứu ứng dụng hệ thống sấy bơm nhiệt hai tầng kết hợp vi sóng. MỤC LỤCLỜI NÓI ĐẦU1Chương 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BƠM NHIỆT KẾT HỢP VI SÓNG21.1 Tổng quan về hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt21.1.1 Giới thiệu về bơm nhiệt21.1.2 Các kết quả nghiên cứu về bơm nhiệt71.1.3. Đánh giá về hệ thống sấy bơm nhiệt thuần túy91.2 Tổng quan về hệ thống sấy sử dụng vi sóng101.2.1 Giới thiệu về vi sóng101.2.2 Các kết quả nghiên cứu về sấy vi sóng131.2.3 Đánh giá về hệ thống sấy vi sóng đơn thuần161.3 Tìm hiểu về hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng171.3.1 Ý nghĩa của việc kết hợp giữa bơm nhiệt và vi sóng171.3.2 Các nghiên cứu về hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng17Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT BẬC THANG212.1 Các thông số đầu vào cho trước212.2 Cơ sở lý thuyết tính nhiệt cho hệ thống sấy bơm nhiệt bậc thang212.2.1 Tính toán lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ212.2.2 Tính toán quá trình sấy212.2.3 Tính toán chu trình môi chất lạnh27Chương 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ TÁCH ẨM RIÊNG PHẦN SMER313.1. Giới thiệu về hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng BKBNVS.10313.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống313.1.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm sấy chùm ngây trên máy BKBNVS.10333.2 Thực hiện tính toán theo lý thuyết trên phần mềm EES373.2.1 Giới thiệu về phần mềm EES373.2.2 Thực hiện tính toán trên phần mềm EES393.3. Các tính toán trên số liệu thực nghiệm483.3.1 Các chế độ sấy chỉ dùng bơm nhiệt483.3.2 Các chế độ sấy sử dụng bơm nhiệt kết hợp với vi sóng52Chương 4: ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ CHÍNH ẢNH HƯỞNG ĐẾN HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT KẾT HỢP VI SÓNG614.1 So sánh giá trị SMER giữa lý thuyết với thực tế614.2 Đánh giá các yếu tố chính ảnh hưởng đến hệ thống sấy624.2.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy634.2.2 Ảnh hưởng của tốc độ tác nhân sấy674.2.3 Ảnh hưởng của công suất vi sóng71KẾT LUẬN73

dưới sự giảng dạy của các thầy cô trong trường cũng như trong Viện Khoa học

và Công nghệ Nhiệt - Lạnh đã giúp em hiểu hơn, yêu hơn về ngành nghề và con đường em đã chọn

Em xin được gửi lời cảm ơn chân thành nhất đến các thầy cô, những người

đã cho em nhiều kiến thức hay và những lời khuyên bổ ích làm hành trang cho

em trên con đường tương lai của mình

Đồ án tốt nghiệp kỹ sư là môn học quan trọng cuối cùng của mỗi sinh viên, được xem như một công trình lớn của mỗi sinh viên đòi hỏi sự vận dụng tất

cả kiến thức trong suốt quá trình học tập cũng như trải nghiệm Mặc dù còn gặp nhiều khó khăn trong quá trình thực hiện, nhưng với sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy hướng dẫn cùng với sự cố gắng của bản thân, cuối cùng bản đồ án cũng được hoàn thành Em xin chân thành cảm ơn thầy - Ths Trịnh Viết Thiệu, người

đã trực tiếp hướng dẫn em đi đến thành công đó

Qua đây em cũng xin cảm ơn gia đình và bạn bè đã cổ vũ động viên tinh thần trong quá trình học tập và những tình cảm đáng quý mà mọi người dành cho

em ngày hôm nay

Xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thực hiện

Vũ Hữu Quý

Tôi xin cam đoan nội dung của đồ án tốt nghiệp này là do tôi tự tính toán, thiết kế và nghiên cứu dưới sự hướng dẫn của thầy giáo Ths Trịnh Viết Thiệu, Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt - Lạnh, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội.

Để hoàn thành bản đồ án này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã được ghi trong mục các tài liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất cứ tài liệu nào khác mà không được ghi

Nếu sai, tôi xin chịu mọi trách nhiệm theo quy định

Hà Nội, ngày 6 tháng 6 năm 2016 Sinh viên thực hiện

Vũ Hữu Quý

LỜI NÓI ĐẦU

Vấn đề tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng chế biến sau thu hoạch các sản phẩm nông, lâm, thủy, hải sản đã và đang đặt ra như một thách thức có tính chất toàn cầu vì đây là chìa khóa để giải quyết vấn

đề an ninh lương thực, đồng thời góp phần giảm ô nhiễm và hủy hoại môi trường thiên nhiên, đảm bảo sự phát triển bền vững của loài người Ứng dụng những công nghệ tiên tiến có hiệu quả năng lượng sẽ góp phần giảm tổn thất sau thu hoạch lại góp phần giải quyết vấn đề an ninh lương thực trên thế giới Thực trạng hiện nay cho thấy tỷ lệ thất thoát sau thu hoạch rất cao, nhất là mặt hàng nông sản, thực phẩm Theo thống kê của Liên Hiệp Quốc, mỗi năm trên thế giới trung bình thiệt hại về lương thực chiếm từ 15 – 20%, tính ra tới

130 tỷ USD, đủ để nuôi sống 200 triệu người/năm (trong khi ở Việt Nam, tỷ lệ này tương đối cao từ 25% đến 30%) Để giải quyết vấn đề trên, ngoài vấn đề

xử lý cận thu hoạch còn cần ứng dụng công nghệ tiên tiến sau thu hoạch giúp nâng cao giá trị cho ngành hàng nông sản, thực phẩm chế biến

Trong các quá trình chế biến, bảo quản sau thu hoạch, ứng dụng các công nghệ sấy nông sản không chỉ cần kéo dài thời gian bảo quản mà còn giữ được phần nào chất lượng ban đầu của sản phẩm Công nghệ sấy bơm nhiệt kết hợp với vi sóng là một công nghệ mới không chỉ giữ được các thành phần vitamin, các hợp chất hữu cơ có ích và mặt thương phẩm như màu sắc, mùi vị mà công nghệ còn thúc đẩy quá trình bốc hơi của sản phẩm nhanh hơn, qua đó giúp rút ngắn được thời gian sấy Tuy nhiên, sấy là quá trình truyền nhiệt và truyền chất phức tạp với các điều kiện và chế độ sấy khác nhau Các thông số như nhiệt độ tác nhân sấy, tốc độ gió hay công suất cấp vi sóng,… ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng cũng như thời gian sấy.Vậy nên ta cần phải khảo sát đánh giá các thông số ảnh hưởng này đến hiệu quả sấy, từ đó hỗ trợ việc đưa ra được chế độ sấy phù hợp, cũng như góp phần đưa ra phương án chế tạo, vận hành tối ưu nhất mà không phải mất nhiều thời gian, công sức thí nghiệm Đây cũng chính

là nội dung của đồ án tốt nghiệp mà em muốn trình bày, đó là: “Nghiên cứu ứng dụng của hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp với vi sóng và các yếu tố chính

ảnh hưởng đến hiệu quả sấy”

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BƠM NHIỆT KẾT HỢP VI SểNG

1.1 Tổng quan về hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt

1.1.1 Giới thiệu về bơm nhiệt

a, Định nghĩa về bơm nhiệt

Bơm nhiệt là thiết bị dựng để đưa một dũng nhiệt từ nguồn cú nhiệt độ thấp đến nguồn cú nhiệt độ cao hơn đỏp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng nhiệt như sấy, sưởi ấm, đun nước núng Mỏy lạnh và bơm nhiệt cú cựng nguyờn lý làm việc theo chu trỡnh nhiệt động ngược chiều, cỏc thiết bị của chỳng là giống nhau Gọi là mỏy lạnh khi sử dụng nguồn lạnh sản ra ở dàn bay hơi, cũn gọi là bơm nhiệt khi sử dụng nguồn núng sản ra ở dàn ngưng tụ Ngoài ra, một điểm khỏc biệt nữa giữa bơm nhiệt và mỏy lạnh là cú phạm vi nhiệt độ sử dụng khỏc nhau Trong chu trỡnh mỏy lạnh, nhiệt độ bay hơi t0 thấp hơn nhiệt độ mụi trường cũn trong chu trỡnh bơm nhiệt thỡ nhiệt độ bay hơi bằng nhiệt độ mụi trường

b, Nguyờn lý hoạt động của bơm nhiệt

Dàn lạnh

Khay đựng vật liệu 2 1

ϕ = 1

d d

d1

t t t I

2

3

1 1

2 3

2

Dàn nóng 3

Hỡnh 1.1: Sơ đồ nguyờn lý và chu trỡnh tỏc nhõn sấy của bơm nhiệt

Bản chất phương phỏp sấy bằng bơm nhiệt khỏc với sấy núng là khụng tạo ra thế sấy bằng cỏch gia nhiệt cho vật liệu sấy (VLS) và tỏc nhõn sấy (TNS), mà tạo ra chờnh lệch phõn ỏp suất hơi nước trờn bề mặt của vật liệu sấy

và phõn ỏp suất hơi nước trong TNS Trong đú việc làm giảm phõn ỏp suất hơi

nước hay độ chứa hơi trong TNS được thực hiện thông qua việc cho TNS là không khí đi qua dàn lạnh của bơm nhiệt, có nhiệt độ bề mặt nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương của TNS để khử ẩm Sau đó TNS lại được đi qua dàn ngưng trong của chính bơm nhiệt để gia nhiệt cho TNS, trước khi đi vào buồng sấy để tiếp xúc và nhận ẩm từ VLS Trong công nghệ sấy bơm nhiệt, gradient nhiệt độ và nồng độ là cùng chiều nên thúc đẩy tốc độ bốc hơi nước của sản phẩm khá nhanh trong giai đoạn sấy ban đầu (0 và 1) Vì vậy bơm nhiệt có một số ưu điểm vượt trội sau so với một số phương pháp sấy khác (thể hiện trong bảng

Sấy thăng hoa và chân không

Sấy lạnh sử dụng máy hút ẩm kết hợp máy lạnh

4 Chi phí đầu tư ban

8 Bảo vệ môi trường Không

 So với sấy lạnh sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hợp với máy lạnh : Sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp tỏ ra có ưu thế vượt trội về chi phí đầu tư ban đầu, giảm tiêu hao điện năng Do vậy, với điều kiện của Việt Nam thì nên dùng phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp Trong thực tế, ở một số nhà máy nhập dây chuyền công nghệ sấy lạnh sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hợp với máy lạnh không đạt hiệu quả, đã và đang chuyển sang dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp, điển hình là công ty bánh kẹo Hải

Hà

 So với sấy thăng hoa và sấy chân không :

Chất lượng sản phẩm của hai phương pháp sấy này thường tốt hơn sấy lạnh

sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp nhưng các chỉ tiêu quan trọng 2 và 5 lại kém hơn nên chỉ nên áp dụng hai phương pháp này khi yêu cầu về chất lượng sản phẩm rất cao (chỉ tiêu 1, 7), còn lại nên sử dụng phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp

 So sánh với sấy nóng:

Nhìn chung, có một số vật liệu sấy lạnh không có hiệu quả như sấy gỗ, các loại hoa quả có vỏ dày thì buộc phải sử dụng sấy nóng Đối với các vật liệu còn lại, nếu VLS nhạy cảm với nhiệt, dễ mất màu, mùi, chất dinh dưỡng, giá thành sản phẩm (chỉ tiêu 2) được thị trường chấp nhận và thời gian sấy (chỉ tiêu 3) không đòi hỏi phải nhanh thì nên sấy lạnh bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp Như vậy sẽ đảm bảo được yếu tố chất lượng của sản phẩm sấy

Vì những ưu điểm rõ rệt nêu trên nên công nghệ sấy bằng bơm nhiệt rất phát triển trên thế giới trong vòng hơn 50 năm qua và hiện nay vẫn tiếp tục được hoàn thiện theo các xu hướng chủ đạo sau:

• Khống chế chế độ nhiệt độ, độ ẩm của tác nhân sấy trong bơm nhiệt một cách chặt chẽ;

• Cho phép nhiệt độ của tác nhân sấy (không khí) sau khi xử lý bằng bơm

nhiệt có thể thay đổi trong dải nhiệt độ rộng từ 20-55oC phụ thuộc vào các vật liệu sấy, để tăng khả năng ứng dụng của sấy bằng bơm nhiệt;

• Tối ưu hóa hệ thống sấy về mặt bơm nhiệt với mục tiêu tiết kiệm năng lượng

• Mở rộng phạm vi ứng dụng của bơm nhiệt cho các dạng nông sản thực

phẩm khác nhau.

c, Một số ứng dụng của bơm nhiệt

Bơm nhiệt có thể được ứng dụng trong các ngành kinh tế sử dụng các nguồn

nhiệt như:

- Công nghiệp sấy và hút ẩm;

- Các quá trình thu hồi nhiệt thải;

- Công nghiệp chưng cất, tách chất;

- Công nghiệp thực phẩm chủ yếu để tẩy rửa, tiệt trùng;

- Công nghiệp vải sợi, gỗ bột và giấy;

- Tẩy rửa, mạ kim loại, sơn sấy trong kỹ thuật điện tử và chế tạo máy;

- Công nghiệp hoá học như bay hơi, cô đặc ;

- Điều tiết không khí tiện nghi công nghiệp, nông nghiệp, các công trình công cộng như y tế, văn hoá, thể thao ;

-Ứng dụng của bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp,…

Ta có thể thấy rõ hơn về ứng dụng của bơm nhiệt trong bảng 1.2 (theo [3])

Bảng 1.2: Một số khả năng ứng dụng của bơm nhiệt thông dụng

Nhiệt độ nguồn nóng, o C

Sưởi ấm nhà ở bằng bơm nhiệt gió- gió

Đun nước nóng gia dụng bằng bơm nhiệt

gió – nước (ATW heat pump) 2,3 ÷ 14 Nhiệt độ môi trường 45 ÷ 50

Đun nước nóng thương nghiệp và công

Nhiệt độ môi

Nhiệt và ẩm của gió tuần

Quay vòng dòng nhiệt trong công nghiệp

bay hơi, cô đặc, tháp chưng cất, xưởng

giặt là, tẩy rửa vệ sinh thiết bị hoặc buồng

sấy.

Thu hồi nhiệt thải từ các quá trình công

nghệ, khu đô thị, khu dân cư, sản xuất hơi

công nghệ, kết hợp với trung tâm cấp

nhiệt, cấp lạnh, thu hồi nhiệt ngưng tụ. 1000 ÷ 5000 30 ÷ 70 50 ÷ 120

1.1.2 Các kết quả nghiên cứu về bơm nhiệt

a, Một số nghiên cứu về bơm nhiệt trong nước

 Nghiên cứu và chuyển giao công nghệ sấy kẹo Jelly

GS.TS Nguyễn Đức Lợi và GS.TS Phạm Văn Tùy đã nghiên cứu và chuyển giao công nghệ sấy kẹo Jelly tại công ty bánh kẹo Hải Hà bằng phương pháp sấy lạnh dùng bơm nhiệt Và hiệu quả của công nghệ được đánh giá như sau:

• Có thể điều chỉnh được nhiệt độ sấy từ 20 ÷ 25(oC)

• Độ ẩm cùa không khí vào buồng có thể đạt φ = 23(%) hoàn toàn đáp ứng chỉ tiêu sấy lạnh của sản phẩm, trong khi độ ẩm bên ngoài là 85(%)

• Giá đầu tư buồng sấy chỉ bằng 50(%) so với phương pháp cũ (dùng chất hút ẩm silicagel)

• Giá vận hành chỉ bằng khoảng 70(%)

• Không phải thay thế, tái sinh chất hút ẩm

• Có khả năng tự động hóa hoàn toàn quá trình khống chế nhiệt độ và độ

ẩm của buồng sấy

Tác giả Phạm Văn Tùy cùng các cộng sự nghiên cứu và chế tạo thành công máy sấy lạnh hút ẩm đa năng và ứng dụng sấy một số sản phẩm như: cà rốt, củ cải, hành lá, thì là Kết quả được các sản phẩm sau khi sấy vẫn giữ nguyên màu tự nhiên dù đã sấy khô, hàm lượng vitamin C ở mức cao hơn hẳn so với các sản phẩm rau quả sấy bằng không khí nóng Công nghệ này đã được trao

“Giải thưởng sáng tạo khoa học công nghệ Việt Nam” Vifotec năm 2003

 Công nghệ và thiết bị sấy Atiso

Sở Khoa học và Công nghệ tỉnh Lâm Đồng, Hội đồng nghiệm thu đề tài tỉnh Lâm Đồng đã tổ chức nghiệm thu đề tài nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy Atiso phục vụ tiêu dùng trong nước và xuất khẩu do trường đại học nông lâm Tp Hồ Chí Minh thực hiện Các phương pháp làm khô thủ công đều không đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm, độ ẩm sản phẩm không đồng đều, làm mất màu tự nhiên, mất tính dược phẩm và giảm mùi vị đặc trưng của Atiso, làm cho giá trị của cây Atiso bị giảm khó cạnh tranh với các thị trường lớn chủ yếu được tiêu thụ trong nước Trên cơ sở tính toán về tính chất của từng bộ phận của cây Atiso và các đặc tính hóa dược quan trọng, đề tài nghiên cứu công nghệ và thiết bị sấy Atiso đã tiến hành các thí nghiệm sơ bộ và phân tích đánh

giá chất lượng sản phẩm thời gian sấy, chi phí năng lượng nhằm lựa chọn phương pháp sấy phù hợp với các bộ phận cây Atiso, từ đó tính toán và chế tạo

2 mô hình máy sấy Atiso năng suất 20(kg/mẻ) bao gồm một máy sấy thân, rễ Atiso thái lát theo nguyên lý sấy nóng đối lưu gián tiếp và 1 mô hình máy sấy bông Atiso theo nguyến lý sấy bơm nhiệt và 1 máy sấy bông Atiso năng suất quy mô nông hộ 200(kg/mẻ) theo nguyên lý sấy bơm nhiệt Qua quá trình sấy trình diễn cho thấy máy hoạt động hiệu quả, chất lượng Atiso sau khi sấy cao hơn hẳn về màu sắc, mùi vị, hình dạng và thành phần dược học, chi phí năng lượng thấp Khi đưa vào sử dụng hệ thống máy sấy này đã giải quyết những tồn tại trong khâu làm khô Atiso hiện nay tại Lâm Đồng nâng cao được chất lượng sản phẩm, đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước và xuất khẩu

hợp với bộ thu năng lượng mặt trời

Đề tài KC05.06/11-15 (2011-2013): “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời trong điều kiện Việt Nam”

do TS Nguyễn Nguyên An chủ trì, TS Nguyễn Việt Dũng, ThS Vũ Huy Khuê chủ trì đề tài nhánh, đã chế tạo thành công hệ thống cũng cấp nước nóng sử dụng bơm nhiệt có công suất nhiệt 30 kW Nhóm nghiên cứu đã hoàn thiện công nghệ này với các ưu điểm nổi bật, xây dựng được quy trình chế tạo, phát triển công nghệ sản xuất nước nóng bằng bơm nhiệt kết hợp với bộ thu năng lượng mặt trời trong điều kiện Việt Nam, nhằm sử dụng hiệu quả và tiết kiệm năng lượng điện thông qua tận dụng tối đa năng lượng mặt trời.

b, Một số nghiên cứu về bơm nhiệt ở nước ngoài

+/ Tiêu biểu cho những nghiên cứu đó trong thời gian gần đây là của tác giả Mujumdar (2006), đã nghiên cứu sấy bột thực phẩm dành cho người ăn kiêng bằng phương pháp sấy bơm nhiệt cho thấy sản phẩm sau khi sấy có sự biến tính protein rất ít cũng như giữ được hạt tính của enzyme so với bột thực phẩm được sản xuất bằng phương pháp sấy chân không

+/ Phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt đã được sử dụng để nghiên cứu quá trình sấy thịt quả hồng xiêm và cho thấy rằng thời gian sấy ngắn hơn so với sấy bằng không khí nóng (Janggam và cộng sự, 2008)

+/ Việc nghiên cứu sấy quả đào Úc (dạng thái lát) trong hệ thống sấy bằng bơm nhiệt đã được thực hiện bởi Sunthorvit và cộng sự (2007) Kết quả cho thấy sản

phẩm sấy có chất lượng tốt hơn so với phương pháp sấy nóng, nhất là hàm lượng lactone và terpenoid còn lại trong sản phẩm sấy.

+/ Việc nghiên cứu, mô phỏng hệ thống sấy bơm nhiệt hai tầng của nhóm tác giả

“Kong Hoon Lee, Ook Joong Kim, Jongryul Kim” (năm 2010) đã đưa ra quá trình biến đổi thông số tác nhân sấy trong hệ thống sấy, và kết luận từ các tác giả nghiên cứu là có thể thiết kế hệ thống bơm nhiệt hai tầng ở nhiệt độ cao

1.1.3 Đánh giá về hệ thống sấy bơm nhiệt thuần túy

Phương pháp sấy bơm nhiệt hiện nay vẫn có yếu điểm, đó là khi vật liệu sấy càng tiến tới trạng thái ẩm cân bằng trong giai đoạn sấy thứ II (hình 1.1), thì tốc độ sấy càng giảm, do thế sấy giữa VLS và TNS thấp không đủ để thoát ẩm

Do đó dẫn đến độ ẩm cân bằng của VLS bằng bơm nhiệt là khá cao, cũng như chi phí điện năng tăng cao trong giai đoạn sấy này Đây chính là lý do tại sao giá thành sấy bằng bơm nhiệt khá cao làm hạn chế ứng dụng trong việc sấy nông sản

Để khắc phục vấn đề này và nâng cao hiệu quả năng lượng của hệ thống sấy bằng bơm nhiệt hiện nay trên thế giới có hai xu hướng chính:

 Hoàn thiện khả năng khử ẩm và tăng hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt bằng cách sử dụng bơm nhiệt tầng có nhiều nhiệt độ sôi kết hợp với sấy theo chu kỳ gián đoạn Việc thay đổi nhiệt độ TNS theo bậc là một phương pháp hiệu quả để giảm thời gian sấy và cải thiện chất lượng sản phẩm cũng như cải thiện động học sấy (Chong và Law, (2009)) Trong quy mô phòng thí nghiệm ở Mỹ đã đạt được suất tiêu hao năng lượng cho việc tách 1 kg ẩm là 0,25-0.27 kWh/kg ẩm;

 Kết hợp bơm nhiệt với công nghệ sấy khác như vi sóng hoặc hồng ngoại.Trong đó, việc kết hợp 2 xu hướng trên đang là xu hướng được giới nghiên cứu

ở các nước trên thế giới quan tâm và triển khai nghiên cứu ứng dụng trong thời gian khoảng 3 năm trở lại đây

Spencer (người Mỹ) vào năm 1945 khi một số bánh kẹo trong túi của ông bị tan chảy trong khi ông đang làm việc với các thiết bị radar Bắt đầu từ năm

1960, vi sóng được ứng dụng vào các quá trình chế biến như làm khô, ủ, nấu ăn

và tiệt trùng Tuy nhiên phải tới những năm 70 thì kỹ thuật gia nhiệt bằng vi sóng mới băt đầu được đưa vào ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm dưới dạng lò vi sóng và cũng phải tới những năm 90 của thế kỷ trước thì công nghệ vi sóng mới thực sự hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi trong tiêu dùng Do các tính năng thuận lợi mà không thể được tìm thấy trong các phương pháp thông thường, chế biến bằng lò vi sóng đã đạt được ngày càng nhiều người ứng dụng ở các nước công nghiệp hoá Tại khu vực Đông Nam Á, các ứng dụng của năng lượng vi sóng đang còn hạn chế, mới chủ yếu giới hạn ở các thiết bị dân dụng, chưa có ứng dụng nhiều trong công nghiệp

dải tần số phổ biến nhất được sử dụng cho ISM (công nghệ, khoa học, y tế) là

915 và 2450 MHz Lò vi sóng cho hộ gia đình hiện nay thường hoạt động ở tần

số 2450 MHz trong khi đo hệ thống lò vi sóng công nghiệp hoạt động ở tần số MHz và 2450 MHz

Hình 1.3: Thang sóng điện từ

c, Nguyên lý của hệ thống sấy bằng vi sóng

Nguyên lý chung của công nghệ sấy vi sóng là khi ta đặt thực phẩm trong môi trường có phát vi sóng (sóng vi ba) có tần số cao khoảng 2450 MHz, các sóng ngắn này tương tự sóng vô tuyến đi sâu vào trong lòng thực phẩm, mang theo điện- từ trường, khi gặp các phân từ nước H2O có cấu tạo phân cực từ các nguyên tử Oxi và hydro làm cấu trúc này xoay và định hướng lại theo hướng của điện-từ trường Do có tần số dao động của sóng vi ba rất lớn 2,45 tỷ lần/s nên điện trường luôn đổi cực, làm cho các phân tử nước luôn dao động rất nhanh và sinh nhiệt do ma sát Lượng nhiệt sinh ra này sẽ được truyền vào bên trong vật làm nóng vật và bay hơi nước Dựa theo nguyên lý trên trong khoảng

15 năm trở lại đây người ta đã ứng dụng chế tạo ra các thiết bị sấy bằng vi sóng

có quy mô lớn được ứng dụng trong công nghiệp Vì sóng vi ba có bước sóng ngắn nên khả năng xuyên vào vật chỉ khoảng 10 cm nên phương pháp sấy này rất thích hợp với sấy nông sản, thực phẩm và dược liệu khi bán kính của vật liệu sấy nhỏ hơn 10cm

d, Một số lưu ý quan trọng khi làm việc trong môi trường vi sóng

 Các vật liệu được phép sử dụng:

- Gốm sứ, các loại thủy tinh chịu nhiệt được phép sử dụng vì chúng có tính dẫn nhiệt kém và đã được xử lý ở nhiệt độ cao nên những sản phẩm tốt hoàn toàn có thể sử dụng được trong môi trường thiết bị vi sóng

- Hầu hết các loại vật liệu phi kim đều sử dụng được trong thiết bị sử dụng dụng vi sóng Một số loại vật liệu hay được sử dụng như: gỗ nhíp, tre, lưới chịu nhiệt,

 Các vật liệu không được phép sử dụng:

- Tuyệt đối không được phép cho vật liệu kim loại vào bên trong thiết bị sử dụng vi sóng do vi sóng không thể xuyên qua kim loại, mà bị phản xạ lại nên

có thể gây cháy nổ, hư hỏng thiết bị và gây nguy hiểm cho người sử dụng và những người xung quanh

- Khi nấu nướng bằng lò vi sóng không được sử dụng giấy bạc do vi sóng không xuyên qua được giấy bạc nên sẽ tạo ta các tia lửa điện gây cháy

e, Một số ứng dụng của vi sóng

Trong gia đình, nấu ăn là một trong những ứng dụng chính của vi sóng Ngày nay việc sử dụng lò vi sóng trong nấu nướng đã trở nên quen thuộc với nhiều bà nội trợ Sử dụng lò vi sóng trong nấu nướng giúp tiết kiệm được rất nhiều thời gian và công sức trong việc bếp núc hàng ngày Với các lò vi sóng

sử dụng trong hộ gia đình như hiện nay, vi sóng được phát ra từ đầu phát magnetron, được dẫn theo ống phát sóng vào ngăn nấu rồi phản xạ qua lại bên

trong ngăn nấu và được hấp thụ bởi thức ăn

Trong công nghiệp, việc ứng dụng vi sóng trong ngành thực phẩm đang được nghiên cứu một cách rộng rãi do các ưu điểm mà nó mang lại Khi kết hợp năng lượng vi sóng với các phương pháp sấy thông thường có thể nâng cao hiệu quả sấy cũng như chất lượng sản phẩm so với sấy chỉ dùng vi sóng hoặc các phương pháp thông thường khác

Ngoài ra, vi sóng được sử dụng trong thông tin vệ tinh vì vi sóng dễ dàng truyền qua khí quyển, ít bị nhiễu so với các bước sóng dài hơn; vi sóng cũng được dùng rộng rãi trong thông tin vô tuyến chuyển tiếp; các hệ thống radar cũng dùng bức xạ vi sóng để phát hiện khoảng cách, tốc độ và các đặc trưng khác của những đối tượng ở xa như ô tô và các phương tiện giao thông khác Truyền hình cáp, Internet bằng cáp đồng trục cũng như một số mạng điện thoại

di động nhỏ cũng dung dải tần số vi sóng thấp

1.2.2 Các kết quả nghiên cứu về sấy vi sóng

a, Các nghiên cứu trong nước

 Nghiên cứu phương pháp sấy vi sóng giúp bảo quản nông sản sau thu

hoạch

Đây là một dự án của nhóm sinh viên viện Công nghệ sinh học & thực phẩm, đại học Bách Khoa Hà Nội Ý tưởng của dự án xuất phát từ thực tế là nhu cầu bảo quản sau thu hoạch của nông sản Việt Nam hằng năm rất lớn, nếu không có biện pháp bảo quản kịp thời sẽ ảnh hưởng đến chất lượng, thậm chí

bị hư hỏng, dẫn đến giảm giá thành nông sản trên thị trường Vì vậy nhóm sinh viên Lưu Hoàng Hải, Phạm Văn Dũng, Hoàng Văn Tùng (KTVL1-K56, ĐH Bách khoa Hà Nội) đã nghĩ đến giải pháp sấy nông sản để bảo toàn chất lượng sản phẩm Với phương pháp sấy thông thường, tác nhân sấy kiêm luôn vai trò tác động nhiệt lên vật sấy nên nhiệt độ bề mặt vật sấy cao hơn nhiệt độ tâm, dẫn đến việc chuyển dịch độ ẩm từ tâm ra bề mặt rất khó thực hiện Vì vậy, việc sấy kiệt sẽ đòi hỏi nhiệt độ cao, mất nhiều thời gian khiến chất lượng sản

Vì vậy, nhóm đã áp dụng phương pháp sấy vi sóng Theo đó, vi sóng trong bức xạ nhiệt phục vụ sấy vi sóng được phát ra từ nguồn magnetron, dẫn theo ống dẫn sóng vào khoang sấy, khi sóng vào khoang sấy thì va đập liên hồi vào sản phẩm và tường của khoang sấy Sóng sẽ đâm xuyên vào tâm vật liệu sấy một cách nhanh chóng (tốc độ ánh sáng), đảm bảo gia nhiệt đồng đều từ trong

ra ngoài bề mặt của vật liệu cần sấy

Với phương pháp này, thiết bị sấy vi sóng cũng nhỏ gọn hơn các thiết bị sấy thông thường, tốc độ sấy đạt được rất cao, năng lượng tiêu hao ít, vật liệu sấy không bị cháy (chiều truyền nhiệt truyền ẩm cùng chiều: từ trong ra ngoài) Tuy nhiên, công suất vi sóng cần phải được điều chỉnh trong suốt quá trình sấy nhằm đáp ứng các yêu cầu về mặt công suất (công suất vi sóng phải giảm khi lượng nước bay hơi được giảm).

 Máy sấy gỗ tươi sử dụng công nghệ vi sóng

Hai kỹ sư Lương Ngọc Dư và Vũ Hiệp-Công ty TNHH Thông tin Minh Dư (IMD) TPHCM đã nghiên cứu và chế tạo thành công máy sấy gỗ tươi bằng công nghệ sóng cao tần có tên gọi Gosaviba 20 Sản phẩm được chế tạo dựa trên nguyên lý dùng các đèn cao tần để loại các phần tử nước ra khỏi gỗ khi sấy

Máy sấy gỗ Gosaviba 20 có kích thước: 3m x 3m x 4,5m, khối lượng 1950kg Trong đó kích thước buồng sấy là: 0,2m x1,15m x 3,2m Máy cho phép sấy khô những thanh gỗ tròn có kích thước tối đa 0,2m x 0,2m x 1,15m Máy được thiết kế với công suất 100kW, có thể sấy 4m3 gỗ tươi/ngày, thời gian sấy 4 giờ/ lần, với công năng tiêu thụ 500-700kWh/m3 gỗ sấy, nguồn điện 380V 3 pha Máy có thể hoạt động liên tục 24/24giờ Gỗ sau khi sấy bằng máy Gosaviba 20 sau 4 giờ đem kiểm nghiệm độ ẩm chỉ còn 8%-10%, chất lượng đạt 90% (trong khi sấy bằng công nghệ nhiệt phải mất tới 15 ngày mới khô thành phẩm)

Ngoài ra, máy sấy Gosaviba 20 này còn có thể dùng để sấy các loại nguyên vật liệu khác như giấy, bìa cacton, vải, Đặc biệt có thể dùng để sấy khô các loại nông sản thực phẩm với hiệu quả cao mà không làm thay đổi tính chất ban đầu

Máy dễ dàng vận hành với quy trình rất đơn giản: Các công nhân xếp gỗ vào buồng sấy, đậy nắp, đóng điện là máy tự hoạt động.Trong quá trình sấy, bộ điều khiển tự động kiểm soát nhiệt độ để điều chỉnh công suất máy theo yêu cầu Sau thời gian đã được cài đặt, máy tự động ngắt điện, mở nắp và lấy gỗ ra Máy không gây ô nhiễm môi trường Độ ồn khi vận hành khoảng 30 dB

Tính ưu việt của máy Gosaviba 20 còn ở chỗ cho phép sấy những loại gỗ lớn có đường kính hơn 0,2 m mà các máy sử dụng công nghệ nhiệt hiện không sấy được Điều hấp dẫn là công nghệ sấy bằng sóng cao tần giúp giảm các sai hỏng, cong, vênh, nứt của sản phẩm

b, Một số nghiên cứu nước ngoài

 Nghiên cứu, phân tích nhiệt và chuyển đổi khối lượng trong quá trình sấy

bằng vi sóng đối với thực phẩm.

Hai nhà nghiên cứu Haghi A K and Amanifard N đã thực hiện thí nghiệm sấy bằng vi sóng trên khoai tây thái lát và đưa ra kết luận: Quá trình làm khô chủ yếu diễn ra trong giai đoạn đầu, sau thời gian làm nóng ngắn thì tỷ lệ khối lượng hầu như giảm không đáng kể; Việc tăng tốc độ sấy phải tăng đồng thời công suất vi sóng và kích thước của vật liệu sấy; Giá trị công suất của vi sóng

có ảnh hưởng đáng kể nhất tới khả năng làm khô; Quá trình làm khô tăng liên tục khi tăng công suất vi sóng

 Nghiên cứu so sánh về hệ thống sấy khoai tây thái lát có hỗ trợ của vi

sóng

Nghiên này của bốn tác giả Reyes A., Cerón S., Zúñiga R., & Moyano P (2007) tại trường Santiago de Chile, USACH, Casilla 10233, Santiago, Chile Phân tích kết quả của các tác giả này cho thấy: Thời gian sấy khô của nửa sau quá trình sấy giảm đến 85% khi sử dụng vi sóng Và mùi vị, màu sắc của thành phẩm rất giống với khi sấy toàn bộ bằng khí nóng Ở đây, như chúng ta thấy, thời gian sấy đã được rút ngắn đáng kể.

 Xem xét về chất lượng và hiệu quả năng lượng khi sử dụng vi sóng và

hồng ngoại trong việc sấy đối lưu ớt xanh

Hai tác giả Joanna Łechtańska và Justyna Szadzińska đã tiến hành thí nghiệm sấy ớt xanh có hỗ trợ của vi sóng và hồng ngoại và đã chứng minh được việc tăng cường sấy với vi sóng và hồng ngoại giúp rút ngắn thời gian sấy lên đến 76% so với sấy đối lưu thông thường Tuy nhiên với phương pháp sấy này, lượng vitamin C còn giữ lại được trong ớt xanh chỉ còn 63,91% Việc tăng cường hợp lý chế độ sấy đối lưu kết hợp với vi sóng ảnh hưởng rất lớn tới động học của quá trình sấy và ảnh hưởng tới màu sắc, lượng nước trong sản phẩm sấy

1.2.3 Đánh giá về hệ thống sấy vi sóng đơn thuần

Ưu điểm chính của công nghệ sấy này là sản phẩm khô đều trong toàn bộ thể tích và rất nhanh, do nhiệt sinh ra từ chính các phân tử nước chứa trong

lòng VLS, làm cho nhiệt độ ở đây cao hơn bề mặt và đẩy ẩm ra bề mặt bay hơi vào TNS Để sấy khô 100 kg gừng lát từ độ ẩm ban đầu là 90% xuống độ ẩm khoảng 1% với một hệ thống sấy vi sóng - khí nóng công suất 15 kW có thể hoàn thành công việc trong vòng 8 giờ Hiện nay để tăng khả năng tác động của vi sóng với các VLS có chiều dày lớn, trong công nghiệp người ta còn sử dụng vi sóng với tần số thấp hơn 915 MHz, khá gần với bước sóng Radio.

Do đó rút ngắn thời gian sấy cũng như đạt được độ ẩm cân bằng cuối quá trình sấy của vật liệu sấy thấp Đây là ưu điểm vượt trội của phương pháp sấy bằng vi sóng so với tất cả phương pháp sấy nóng và sấy lạnh khác

Tốc độ sấy một sản phẩm của hệ thống vi sóng công nghiệp bị chi phối chủ yếu bởi lượng nước cần phải tách khỏi sản phẩm, công suất năng lượng vi sóng

sử dụng và tính chất điện môi của sản phẩm (khả năng của sản phẩm làm giảm năng lượng vi sóng tác động và kết quả là năng lượng vi sóng bị nó hấp thụ) Các yếu tố khác có ảnh hưởng đến tốc độ quá trình sấy là:

• Nhiệt dung riêng, nhiệt độ bay hơi và nhiệt nóng chảy của sản phẩm;

• Nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ yêu cầu cuối cùng của sản phẩm;

• Độ ẩm ban đầu và độ ẩm cuối cùng mong muốn;

• Kích thước và hình dạng của sản phẩm;

• Hạn chế nhiệt độ của sản phẩm

Như vậy, năng lượng vi sóng là một giải pháp cho phép làm tăng nhiệt độ VLS nhanh hơn các giải pháp thông thường Tuy nhiên tốc độ tăng nhiệt độ của VLS phụ thuộc và mật độ năng lượng vi sóng tác động vào VLS Để duy trì nhiệt độ của VLS nằm trong giới hạn mong muốn ta cần phải làm chủ khâu điều chỉnh công suất phát vi sóng cho phù hợp

Nhược điểm chính của phương pháp sấy vi sóng là thiết bị sấy phức tạp, giá thành thiết bị cao Ngoài ra:

• Vi sóng có thể tương tác với một số kim loại sinh nhiệt rất cao dẫn đến cháy nổ, gây khó khăn trong việc thiết kế khung sấy và buồng sấy;

• Với mỗi loại vật liệu sấy khác nhau, có lượng nước khác nhau, nên ảnh hưởng của vi sóng lên từng loại vật liệu khác nhau, khó khống chế mức năng lượng mà vật liệu nhận được;

• Bản chất sấy vi sóng cũng chính là sấy sinh nhiệt với tốc độ nhanh, cho nên cần phải giải quyết bài toán điều chỉnh công suất phát sóng để đảm bảo nhiệt độ của VLS nằm trong giới hạn cho trước, từ đó khắc phục sự ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến chất lượng sản phẩm sấy;

• Mức tiêu thụ điện năng của hệ thống sấy vi sóng công nghiệp đang ở mức trung bình khoảng 1 kWh/kg ẩm tách được trong một giờ Tuy có thấp hơn so với các giải pháp sấy khác như sấy không khí nóng tuần hoàn đến 30-40%, nhưng vẫn đang còn cao, cần phải nghiên cứu để giảm năng lượng tiêu thụ bằng giải pháp sấy lai ghép

1.3 Tìm hiểu về hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng

1.3.1 Ý nghĩa của việc kết hợp giữa bơm nhiệt và vi sóng

Kết hợp (lai ghép) công nghệ sấy ở nhiệt độ thấp bằng bơm nhiệt và sử dụng kết hợp với vi sóng là một trong số những giải pháp nhằm tăng khả năng ứng dụng và tính cạnh tranh của cả hai công nghệ Phương án kết hợp nêu trên cho phép giữ nguyên được các ưu điểm của hai công nghệ sấy, đồng thời rút ngắn thời gian sấy (ưu điểm sấy vi sóng), tăng chất lượng sản phẩm của quá trình sấy (ưu điểm sấy ở nhiệt độ thấp bằng bơm nhiệt) Hơn nữa công nghệ lai ghép này cho phép tiết kiệm một lượng năng lượng đáng kể so với sử dụng riêng biệt từng công nghệ

1.3.2 Các nghiên cứu về hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng

a, Nghiên cứu trong nước

sóng để sấy một số loại nông sản, thực phẩm và dược liệu.

TS Vũ Huy Khuê, viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt Lạnh, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã nghiên cứu công nghệ, mô phỏng, và thiết kế thành công hệ thống sấy bằng bơm nhiệt kết hợp với bộ phát vi sóng dùng để sấy nông sản, thực phẩm, dược liệu Với công suất nhiệt của hệ thống khoảng 30

kW, dải nhiệt độ sấy từ 20 ÷ 50oC, khối lượng vật liệu sấy khoảng 300 kg/mẻ Tác giả cũng đã xây dựng được chế độ sấy tối ưu đối với lá chùm ngây và nấm linh chi, đồng thời đảm bảo các chỉ tiêu về chất lượng và năng lượng

 Sấy vải và nhãn bằng hệ thống sấy bơm nhiệt – vi sóng

Nghiên cứu và phát triển quy trình sản xuất vải sấy và nước quả vải chất lượng cao” năm

2012 trong chương trình nghiên cứu khoa học CT05: “Nghiên cứu các giải pháp kỹ thuật nâng cao giá trị gia tăng của nông sản và đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm” của Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Kết quả thực hiện đề tài đã chế tạo thử nghiệm thành công một thiết bị sấy bơm nhiệt kết hợp với vi sóng công suất 0,7 kW do Giảng viên cao cấp, TS Nguyễn Minh Hệ chủ trì Đã sấy thử nghiệm quả nhãn, quả vải bằng thiết bị sấy vi sóng - bơm nhiệt pilot và đạt kết quả ban đầu rất khả quan Thời gian sấy quả nhãn bằng phương pháp bơm nhiệt - vi sóng đã giảm chỉ còn 20 giờ so với phương pháp sấy bằng lò điện là 60 giờ Chất lượng sản phẩm về dinh dưỡng và màu sắc đã được phân tích và cho kết quả tốt hơn rất nhiều so với sản phẩm sấy bằng nhiệt độ cao.

b, Nghiên cứu ở nước ngoài

 Hiệu quả của hệ thống bơm nhiệt tầng kết hợp vi sóng với đỗ xanh

Nhóm tác giả “M Zielinska, P Zapotoczny, O Alves-Filho, TM Eikevik, W Blaszczak” đã nghiên cứu và đánh giá hiệu quả của việc sử dụng bơm nhiệt nhiều tầng kết hợp với vi sóng (A multi-stage combined heat pump and microwave vacuum drying of green peace, Journal of Food Engineering, 2013).Kết quả cho thấy, chất lượng của đỗ xanh sau khi sấy có mật độ hạt, độ xốp lớn Thời gian đạt độ khô yêu cầu là 145 phút, trong khi sấy bằng không khí nóng đối lưu thông thường thì thời gian là 300 phút Độ co rút của đỗ xanh sau khi sấy cũng cao hơn đáng kể (khoảng 46,7 ± 0,2% và 50,0 ± 0,7%), trong khi sấy thông thường chỉ có 43,3 ± 0,1% Ngoài ra, cấu trúc của của đỗ xanh sau khi sấy không bị cong vênh như sấy bằng khí nóng thông thường, màu sắc, mùi

vị được giữ gần như tuyệt đối

 Sấy táo cắt kiểu khối lập phương bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp

với chân không vi sóng và kỹ thuật sấy theo chu kỳ

Nhóm tác giả “Chien Hwa Chong, Adam Figiel, Chung Lim Law và Aneta Wojdylo” đã nghiên cứu hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp chân không vi sóng và

ký thuật sấy theo chu kỳ để thực hiện sấy táo cắt nhỏ kiểu “khối lập phương” Kết quả mà nhóm đưa ra là thời gian sấy rút ngắn khoảng 50% so với phương pháp sấy đối lưu thông thường, phương pháp sấy kết hợp này cũng cho ra sản phẩm tốt nhất về mặt thẩm mỹ, các chất chống oxi hóa, hàm lượng polyphenol trong táo Nhóm tác giả cũng lưu ý, các giai đoạn sấy chia theo độ ẩm của vật liệu sấy rất quan trọng, chúng phụ thuộc vào mỗi loại vật liệu sấy khác nhau và

ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng của sản phẩm Ta có thể xem sản phẩm sấy của nhóm tác giả khi thực hiện so sánh giữa các phương pháp sấy trên hình 1.4.

Hình 1.4: So sánh sản phẩm sấy giữa một số phương pháp

 Trong đó:

• Fresh: Hình ảnh táo tươi, trước khi sấy

• C/VM: Convective vacuum-microwave (Sấy đối lưu sử dụng chân không vi sóng)

• Hp: Heat pump (Sấy bằng bơm nhiệt)

• CTP: Cyclic temperature profile (Sấy với nhiệt độ tuần hoàn)

• STP: Step-up temperature profile (Sấy với từng bậc nhiệt độ)

• HP/VM: Heat pump vacuum – microwave (Sấy bằng bơm nhiệt kết hợp với vi sóng)

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT VỀ HỆ THỐNG SẤY

BƠM NHIỆT BẬC THANG 2.1 Các thông số đầu vào cho trước

Với năng suất sấy của hệ thống là G2[kg/mẻ], ta đo được độ ẩm vào của vật liệu sấy là ω1 [%] và độ ẩm ra mong muốn của ta sẽ có giá trị là ω2 [%] Ứng với mỗi chế độ sấy khác nhau, ta sẽ đặt giá trị nhiệt độ t5 [oC] và tốc độ của tác nhân sấy

vkk [m/s] khác nhau Tiết diện A [m2] của miệng thổi không đổi nên ta có thể tính được lưu lượng không khí G kk [m 3 /s] Áp suất khí quyển trong quá trình tính toán, ta

có thể lấy B = 745/750 [bar] Với thời gian sấy là τ [h], ta có thể tính được hiệu quả tách ẩm riêng phần SMER [kga/kWh].

2.2 Cơ sở lý thuyết tính nhiệt cho hệ thống sấy bơm nhiệt bậc thang

2.2.1 Tính toán lượng ẩm bốc hơi trong 1 giờ

• Lượng nước ngưng được (lượng ẩm cần bốc ) của mẻ sấy:

2.2.2 Tính toán quá trình sấy

Sơ đồ hệ thống sấy bằng bơm nhiệt 2 chu trình được bố trí gồm 2 chu trình bơm nhiệt mắc nối tiếp nhau và hoạt động độc lập với nhau (Hình 2.1) Chu trình phía ngoài (được ký hiệu “1”) gồm 1 dàn bay hơi và 2 dàn ngưng tụ (1 dàn phía trong hệ thống sấy (HTS) và dàn còn lại đặt ngoài HTS) Chu trình phía trong (được ký hiệu

“2”) gồm 1 dàn bay hơi và 1 dàn ngưng tụ.

Hình 2.1: Sơ đồ HTS bơm nhiệt 2 chu trình

Không khí sau khi ra khỏi buồng sấy (trạng thái A) cho đi qua lần lượt dàn bay hơi 1 và dàn bay hơi 2 để được làm lạnh và khử ẩm Sau đó qua 2 dàn ngưng phía trong HTS để được tăng nhiệt độ và giảm độ ẩm tương đối rồi đi vào buồng sấy Không khí được tuần hoàn khép kín trong hệ thống nhờ quạt.

Không khí vào buồng sấy có thế sấy cao Nhiệt độ TNS vào buồng sấy được duy trì nhờ rơle nhiệt độ Còn độ ẩm duy trì nhờ vào thiết kế hợp lý dàn bay hơi Ở đây, năng suất lạnh của dàn bay hơi được tận dụng hết Riêng nhiệt ngưng tụ được chia làm 3 phần Một phần chính là dùng để tăng nhiệt độ TNS, phần thứ 2 là tổn thất từ buồng sấy ra môi trường do buồng sây có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ môi trường và phần thứ 3 (nếu có) sẽ được thải ra ở dàn ngưng ngoài.

Đồ thị I – d của TNS (không khí) được biểu diễn trên hình 2.2:

Từ t 5 và φ 5 ta xác định được các thông số còn lại của điểm 5 như sau:

Phân áp suất bão hòa của không khí khi vào buồng sấy là:

4026,42exp 12

.

b b

p d

φ φ

Sau khi đi vào buồng sấy và mang theo ẩm, không khí đi ra khỏi buồng sấy

ở trạng thái điểm 1 Coi quá trình sấy là đẳng nhiệt nên ta suy ra t1 = t5 Các thông số còn lại của điểm 1 được tính như sau:

Phân áp suất bão hòa của không khí khi ra khỏi buồng sấy là:

4026,42exp 12

Biến thiên dung ẩm của không khí sau khi đi qua buồng sấy (∆ d = d 1 - d 5 ) ta tính theo lượng ẩm bay hơi trong 1 giờ Wh và lưu lượng không khí Gkk :

1 5

h kk

(0,621 )

Độ ẩm tương đối φ2 ảnh hưởng rất lớn đến sự phân chia năng suất của hai dàn lạnh, để năng suất lạnh phân bố tương đối đều cho hai dàn lạnh ở đây ta nên chọn φ2 nằm trong khoảng 60  65% Các thông số còn lại của không khí sau dàn bay hơi thứ nhất được tính như sau:

Phân áp suất bão hòa của không khí sau dàn bay hơi 1:

2 2

.(0,621 )

b

B d p

d φ

=

Nhiệt độ của không khí sau khi đi qua dàn bay hơi 1:

2 2

2

1200,42 235,5.ln( )

12 ln( )

b b

p t

Các thông số còn lại của trạng thái không khí sau dàn bay hơi 2 tính như sau:

Phân áp suất bão hòa của không khí sau dàn bay hơi 2:

3 3

3

1200,42 235,5.ln( )

b b

p t

p

+

=

Entanpy của không khí sau dàn bay hơi 2:

t4 = t3 + 0,5.(t5 – t3) [oC]

Chọn hiệu nhiệt độ Δtmin, từ đó tính được nhiệt độ ngưng tụ của chu trình 2 là:

tk2 = t4+ Δtmin [oC]

Độ chứa hơi của không khí lúc này vẫn giữ nguyên, hay ta có d4 = d3

Phân áp suất bão hòa của không khí sau dàn ngưng tụ 2:

4 4

Entanpy của không khí sau dàn ngưng tụ 2:

2.2.3 Tính toán chu trình môi chất lạnh

 Chu trình 1: Thông số chu trình bơm nhiệt như giá trị t0 và tk đã tính toán

Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt và chu trình trên đồ thị logP-h

 Chu trình 2:

Sơ đồ nguyên lý của chu trình 2 được thể hiện trên hình 2.4

Hình 2.4: Sơ đồ nguyên lý của chu trình 2

Từ sơ đồ nguyên lý và các thông số ban đầu, tiến hành tra trên đồ thị ta được các thông số entanpy tại các điểm nút, từ đó tính được:

Năng suất lạnh riêng:

Δd 2 = d 2 – d 3 [kg/kg kk ] Biến thiên entanpy của không khí khi đi qua dàn bay hơi 1 là:

ΔI 1 = I 1 – I 2 [kJ/kg kk ] Biến thiên entanpy của không khí khi đi qua dàn bay hơi 2 là:

Q m q

t

t t

η = +

Công suất chỉ thị:

s i i

L N

td el

N N

L

=

[kga/kWh]

Chương 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ TÁCH ẨM RIÊNG PHẦN SMER 3.1 Giới thiệu về hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng BK-BNVS.10

3.1.1 Giới thiệu chung về hệ thống

Hệ thống sấy bơm nhiệt – vi sóng BK - BNVS.10 là sản phẩm của TS Vũ Huy Khuê, Viện khoa học & công nghệ Nhiệt lạnh, trường đại học Bách Khoa

Hà Nội Đây là hệ thống sấy nguyên khối, có thể di chuyển được, phù hợp với quy mô sản xuất nhỏ hoặc thử nghiệm ở các cơ sở nghiên cứu, giảng dạy Thể tích buồng sấy là 0,125 m3, có thể sấy 5 – 10 kg nguyên liệu một mẻ sấy và máy đươc điều khiển tự động hoàn toàn, công suất điện tiêu thụ của máy nén khoảng 1,5 kW Môi chất lạnh sử dụng là R134a Hình 3.1 là hình ảnh tổng quan của thiết bị

Hình 3.1: Hình ảnh thiết bị sấy bơm nhiệt – vi sóng BK-BNVS.10

 Một số thông số kỹ thuật của thiết bị

Hình 3.2 thể hiện hình ảnh thực tế trong buồng sấy

Hình 3.2: Hình ảnh bên trong buồng sấy

Kích thước buồng sấy: L x W x H = 500 x 500 x 500 mm

Kích thước tủ điện: L x W x H = 400 x 300 x 100 mm Trong tủ điện gồm có các aptomat, rơ le, timer (cho thời gian nghỉ, thời gian chạy của van điện từ và

bộ phát vi sóng)

Hình 3.3: Tủ điện & bảng điều khiển

Kích thước giá quay: H = 450mm, R = 230mm

Kích thước khay sấy tròn: R = 200 mm Được chế tạo bằng lưới chịu nhiệt, vành tre

Trong đó: L - chiều dài, W - chiều rộng, H - chiều cao, R - bán kính

 Nguyên lý làm việc của hệ thống:

+/ Hơi môi chất lạnh sau khi được máy nén nén lên áp suất ngưng tụ pk, nhiệt

độ tk, được chia ra làm hai dòng Dòng môi chất thứ nhất có lưu lượng m1 được đưa vào dàn ngưng ngoài (DNN), ngưng tụ lại thành lỏng Sau đó lượng lỏng này đi vào bình chứa cao áp (CA), qua phin lọc (FL) để tách ẩm, tách cặn bẩn

và chảy qua van tiết lưu nhiệt cân bằng ngoài (TLN) để giảm áp suất từ pk

xuống áp suất p0 Dòng môi chất thứ hai có lưu lượng m2 được đưa vào dàn ngưng trong (DNT), ngưng tụ thành lỏng và được giảm áp ở van tiết lưu nhiệt cân bằng ngoài Hai dòng môi chất với áp suất p0 trộn lẫn với nhau và chảy vào dàn bay hơi (BH) Hơi môi chất sinh ra ở dàn bay hơi được máy nén hút về, kết thúc chu trình cũ và tiếp tục một chu trình mới

+/ Không khí được quạt ly tâm tạo lưu động tuần hoàn trong hệ thống sấy lạnh Khi được quạt ly tâm hút qua dàn bay hơi, thải nhiệt cho môi chất lạnh nên nhiệt độ giảm xuống, ẩm ngưng đọng, độ chứa hơi giảm nhưng độ ẩm tương đối tăng Sau khi được làm lạnh, không khí chuyển động qua dàn ngưng tụ trong, nhận nhiệt từ môi chất ở đây Không khí sau khi qua dàn ngưng tụ trong tăng nhiệt độ, độ ẩm thấp sẽ được đưa vào buồng sấy để làm khô vật liệu Khi sấy xong, không khí có độ ẩm cao được quạt hút qua dàn bay hơi, tiếp tục một chu trình mới

3.1.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm sấy chùm ngây trên máy

BK-BNVS.10

a, Công tác chuẩn bị

Để đảm bảo quá trình thí nghiệm được an toàn, chất lượng, số liệu thí nghiệm được chính xác, công tác chuẩn bị tốt ban đầu không thể thiếu Trước khi tiến hành thí nghiệm sấy chum ngây phải thực hiện các công việc sau:

 Kiểm tra tình trạng máy thí nghiệm

Kiểm tra các thiết bị, bộ phận của máy như máy nén, các dàn trao đổi nhiệt, quạt ly tâm, quạt hướng trục, động cơ quạt, các van, các thiết bị điện…Đối với các thiết bị có bộ phận bôi trơn nếu cần thiết phải bảo dưỡng, tra dầu

mỡ Đặc biệt đối với các đầu đo, do lâu ngày máy không chạy, rất dễ xảy ra đứt các mối nối, han gỉ, không tiếp xúc, gây sai số… Vì vậy tôi đã tiến hành kiểm tra rất kỹ, đo thông mạch kiểm tra từng đầu đo, kiểm tra độ chính xác, đầu đo nào không đảm bảo thì thay thế Sau khi kiểm tra xong các thiết bị, bộ phận ta cho máy chạy thử để đánh giá chính xác tình trạng của máy và khắc phục ngay

để đảm bảo máy hoạt động hiệu quả tốt

 Kiểm tra sự rò lọt không khí

Khi máy hoạt động an toàn, hiệu quả, trước khi đưa máy vào thí nghiệm sấy, công việc không thể thiếu đó là kiểm tra sự rò lọt không khí Đặc điểm của sấy bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp là nhiệt độ và độ ẩm của không khí sau sấy là nhỏ nên phải tránh sự rò lọt không khí Khi không khí lọt mang lượng ẩm lớn vào sẽ làm giảm hiệu suất sấy, độ ẩm của buồng sấy không thể giảm xuống tới mức yêu cầu, vật liệu sấy không khô Vì vậy tôi tiến hành dùng băng dính, keo dính silicon làm kín vào các khe, các mối lắp ghép, các lỗ hở, đặc biệt ở phía quạt hút Sau đó cho máy chạy thử không tải đo các thông số của không khí trước và sau các chu kì sấy Hệ thống đảm bảo ít rò lọt không khí

 Chuẩn bị thí nghiệm

Trên cơ sở nghiên cứu về bơm nhiệt sấy, để tiến hành thí nghiệm đảm bảo đúng các thông số thí nghiệm, chế độ thí nghiệm, tôi đã xây dựng trước số thí