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. Do đó có thể nói hiện nay vấn đề tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường và giảm tổn thất chế biến, bảo quản sau thu hoạch các sản phẩm nông, lâm, thủy, hải sản có sự liên quan chặt chẽ, biện chứng với nhau bởi vì nâng cao chất lượng chế biến sau thu hoạch của các loại nông sản, thực phẩm, dược liệu kết hợp với sử dụng công nghệ sẽ trực tiếp và gián tiếp đóng góp cho việc sử dụng năng lượng tiết kiệm, hiệu quả và bảo vệ môi trường. Ngược lại, ứng dụng những công nghệ tiên tiến có hiệu quả năng lượng sẽ góp phần giảm tổn thất sau thu hoạch lại góp phần đảm bảo 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 ngườinăm (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. Để khảo sát đánh giá các thông số ảnh hưởng đến hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp với vi sóng, từ đó hỗ trợ trong việc đưa ra được chế độ sấy phù hợp thì cần phải có một công cụ giúp ta tiết kiệm được thời gian và công sức thí nghiệm. Đây cũng chính là nội dung nghiên cứu của đề tài, đó là “Xây dựng phần mềm đánh giá ảnh hưởng các thông số tới hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp với vi sóng”.
Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC ĐỀ TÀI: “XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CÁC THÔNG SỐ TỚI HỆ THỐNG BƠM NHIỆT KẾT HỢP VỚI VI SÓNG” 1, Đặt vấn đề Vấn đề tiết kiệm lượng, bảo vệ môi trường nâng cao chất lượng chế biến sau thu hoạch sản phẩm nông, lâm, thủy, hải sản đặt thách thức có tính chất toàn cầu chìa khóa để giải vấn đề an ninh lương thực, đồng thời góp phần giảm ô nhiễm hủy hoại môi trường thiên nhiên, đảm bảo phát triển bền vững loài người Do nói vấn đề tiết kiệm lượng, bảo vệ môi trường giảm tổn thất chế biến, bảo quản sau thu hoạch sản phẩm nông, lâm, thủy, hải sản có liên quan chặt chẽ, biện chứng với nâng cao chất lượng chế biến sau thu hoạch loại nông sản, thực phẩm, dược liệu kết hợp với sử dụng công nghệ trực tiếp gián tiếp đóng góp cho việc sử dụng lượng tiết kiệm, hiệu bảo vệ môi trường Ngược lại, ứng dụng công nghệ tiên tiến có hiệu lượng góp phần giảm tổn thất sau thu hoạch lại góp phần đảm bảo an ninh lương thực giới Thực trạng cho thấy tỷ lệ thất thoát sau thu hoạch cao, mặt hàng nông sản, thực phẩm Theo thống kê Liên Hiệp Quốc, năm giới trung bình thiệt hại lương thực chiếm từ 15 – 20%, tính tới 130 tỷ USD, đủ để nuôi sống 200 triệu người/năm (trong Việt Nam, tỷ lệ tương đối cao từ 25% đến 30%) Để giải vấn đề trên, vấn đề xử lý cận thu hoạch 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 trình chế biến, bảo quản sau thu hoạch, ứng dụng công nghệ sấy nông sản không cần kéo dài thời gian bảo quản mà giữ phần chất lượng ban đầu sản phẩm Công nghệ sấy bơm nhiệt kết hợp với vi sóng công nghệ không giữ thành phần vitamin, hợp chất hữu có ích mặt thương phẩm màu sắc, mùi vị mà công P a g e | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý nghệ thúc đẩy trình bốc sản phẩm nhanh hơn, qua giúp rút ngắn thời gian sấy Tuy nhiên, sấy trình truyền nhiệt truyền chất phức tạp với điều kiện chế độ sấy khác Các thông số nhiệt độ tác nhân sấy, tốc độ gió hay công suất cấp vi sóng,… ảnh hưởng lớn đến chất lượng thời gian sấy Để khảo sát đánh giá thông số ảnh hưởng đến hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp với vi sóng, từ hỗ trợ việc đưa chế độ sấy phù hợp cần phải có công cụ giúp ta tiết kiệm thời gian công sức thí nghiệm Đây nội dung nghiên cứu đề tài, “Xây dựng phần mềm đánh giá ảnh hưởng thông số tới hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp với vi sóng” Giải vấn đề 2.1 Cơ sở lý thuyết hệ thống bơm nhiệt kết hợp vi sóng 2.1.1 Công nghệ sấy bơm nhiệt Trước yêu cầu chất lượng sản phẩm ngày cao, sản phẩm xuất theo tiêu chuẩn quốc tế IFS,… yêu cầu độ khô, số sản phẩm đòi hỏi phải đảm bảo màu sắc, hương vị cao sản phẩm có chứa tinh dầu, hương hoa, dược phẩm, thực phẩm chất lượng cao… Vì để đáp ứng yêu cầu màu sắc, mùi vị tự nhiên sau sấy, người ta áp dụng phương pháp sấy nhiệt độ thấp Trong phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt tỏ có hiệu cao cả, với ưu điểm nhiệt độ sấy thấp, chi phí công nghệ tiêu thụ lượng nhiều so với phương pháp sấy thăng hoa, sấy chân không… So sánh sấy bơm nhiệt phương pháp khác thể bảng Bản chất phương pháp sấy bơm nhiệt khác với sấy nóng không tạo sấy cách gia nhiệt cho VLS TNS (không khí), mà tạo chênh lệch phân áp suất nước bề mặt vật liệu sấy phân áp suất nước TNS Trong việc làm giảm phân áp suất nước hay độ chứa TNS thực thông qua việc cho TNS không khí qua dàn lạnh bơm nhiệt, có nhiệt độ bề mặt nhỏ nhiệt độ đọng sương TNS để khử ẩm Sau TNS lại qua dàn ngưng bơm nhiệt để gia nhiệt P a g e | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý cho TNS, trước vào buồng sấy để tiếp xúc nhận ẩm từ VLS Trong công nghệ sấy nhiệt độ thấy gradient nhiệt độ nồng độ chiều nên thúc đẩy tốc độ bốc nước sản phẩm nhanh giai đoạn sấy ban đầu (0 I) Vì ưu điểm rõ rệt nêu nên công nghệ sấy bơm nhiệt phát triển giới vòng 50 năm qua tiếp tục hoàn thiện theo xu hướng chủ đạo sau: - Khống chế chế độ nhiệt độ, độ ẩm tác nhân sấy bơm nhiệt cách chặt chẽ; - Cho phép nhiệt độ TNS (không khí) sau xử lý bơm nhiệt thay đổi dải nhiệt độ rộng từ 20-55 oC phụ thuộc vào vật liệu sấy, để tăng khả ứng dụng sấy bơm nhiệt; - Tối ưu hóa hệ thống sấy mặt bơm nhiệt với mục tiêu tiết kiệm lượng - Mở rộng phạm vi ứng dụng bơm nhiệt cho dạng nông sản thực phẩm khác Bảng 2.1 So sánh ưu điểm cúa sấy bơm nhiệt phương pháp khác Phương pháp sấy Sấy nóng Sấy thăng hoa chân không Sấy lạnh sử dụng máy hút ẩm kết hợp máy lạnh Chất lượng sản phẩm (màu sắc, mùi vị, vitamin) Kém Rất tốt Tốt Giá thành sản phẩm Thấp Đắt nhiều Đắt Thời gian sấy Ngắn Ngắn Lâu sấy nóng Chi phí đầu tư ban đầu Thấp Rất cao Cao TT Chỉ tiêu so sánh P a g e | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý Chi phí vận hành bảo dưỡng Thấp Rất cao Cao Khả điều chỉnh nhiệt độ TNS theo yêu cầu công nghệ Khó Khó Bình thường Vệ sinh an toàn thực phẩm Không cao Rất cao Cao Bảo vệ môi trường Không cao Không cao Không cao Phạm vi ứng dụng Rộng Rất hẹp Hẹp I Dµn l¹nh Dµn nãng t1 t2 Khay ®ùng vËt liÖu ϕ=1 t3 d1 d2 d Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý chu trình TNS (không khí) bơm nhiệt Tiêu biểu cho nghiên cứu thời gian gần nghiên cứu tác giả sau: Prasertsan (1996), Soponronnarit (1998), Strommen (1994) cho thấy loại rau nông sản, đặc biệt dược liệu sấy bơm nhiệt cho chất lượng màu sắc mùi vị tốt so với phương pháp sấy khác Điều khẳng định báo cáo Mujumdar (2006), AlvesFilho (1995), nghiên cứu sấy bột thực phẩm dành cho người ăn kiêng phương pháp sấy bơm nhiệt cho thấy sản phẩm sau sấy có biến tính P a g e | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý protein giữ hoạt tính enzyme so với bột thực phẩm sản xuất phương pháp sấy chân không Phương pháp sấy lạnh bơm nhiệt sử dụng để nghiên cứu trình sấy thịt hồng xiêm cho thấy thời gian sấy ngắn so với sấy không khí nóng (Janggam cộng sự, 2008) Việc nghiên cứu sấy đào Úc (dạng thái lát) hệ thống sấy bơm nhiệt thực Sunthorvit cộng (2007) Kết cho thấy sản phẩm sấy có chất lượng tốt so với phương pháp sấy nóng, hàm lượng lactone terpenoid lại sản phẩm sấy Tuy nhiên phương pháp sấy bơm nhiệt có yếu điểm vật liệu sấy tiến tới trạng thái ẩm cân giai đoạn sấy thứ II (hình 1), tốc độ sấy giảm, sấy VLS TNS thấp không đủ để thoát ẩm Do dẫn đến độ ẩm cân VLS bơm nhiệt cao, chi phí điện tăng cao giai đoạn sấy Đây lý giá thành sấy bơm nhiệt cao làm hạn chế ứng dụng việc sấy nông sản Để khắc phục vấn đề nâng cao hiệu lượng hệ thống sấy bơm nhiệt giới có hai xu hướng chính: - Hoàn thiện khả khử ẩm tăng hiệu lượng bơm nhiệt 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 phương pháp hiệu để giảm thời gian sấy cải thiện chất lượng sản phẩm cải thiện động học sấy (Chong Law, (2009)) Trong quy mô phòng thí nghiệm Mỹ đạt suất tiêu hao lượng cho việc tách kg ẩm 0,25-0.27 kWh/kg ẩm; - Kết hợp bơm nhiệt với công nghệ sấy khác vi sóng hồng ngoại Trong xu hướng thứ xu hướng giới nghiên cứu nước giới quan tâm triển khai nghiên cứu ứng dụng thời gian khoảng năm trở lại 2.1.2 Công nghệ sấy vi sóng Sự hữu dụng lò vi sóng để nấu ăn phát Percy Le Baron Spencer (người Mỹ) vào năm 1945 số bánh kẹo túi ông bị tan P a g e | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý chảy ông làm việc với thiết bị radar Bắt đầu từ năm 1960, vi sóng ứng dụng vào trình chế biến làm khô, ủ, nấu ăn tiệt trùng Tuy nhiên phải tới năm 70 kỹ thuật gia nhiệt vi sóng băt đầu đưa vào ứng dụng lĩnh vực công nghiệp thực phẩm dạng lò vi sóng phải tới năm 90 kỷ trước công nghệ vi sóng thực hoàn thiện ứng dụng rộng rãi tiêu dùng Do tính thuận lợi mà tìm thấy phương pháp thông thường, chế biến lò vi sóng đạt ngày nhiều người ứng dụng nước công nghiệp hoá Tại khu vực Đông Nam Á, ứng dụng lượng vi sóng hạn chế, chủ yếu giới hạn thiết bị dân dụng, chưa có ứng dụng nhiều công nghiệp Nguyên lý chung công nghệ ta đặt thực phẩm môi trường có phát vi sóng (sóng vi ba) có tần số cao khoảng 2450 MHz, sóng ngắn tương tự sóng vô tuyến sâu vào lòng thực phẩm, mang theo điện- từ trường, gặp phân từ nước H 2O có cấu tạo phân cực từ nguyên tử Oxi hydro làm cấu trúc xoay định hướng lại theo hướng điện-từ trường Do có tần số dao động sóng vi ba lớn 2,45 tỷ lần/s nên điện trường đổi cực, làm cho phân tử nước dao động nhanh sinh nhiệt ma sát Lượng nhiệt sinh truyền vào bên vật làm nóng vật bay nước Dựa theo nguyên lý khoảng 15 năm trở lại người ta ứng dụng chế tạo thiết bị sấy vi sóng có quy mô lớn ứng dụng công nghiệp Vì sóng vi ba có bước sóng ngắn nên khả xuyên vào vật khoảng 10 cm nên phương pháp sấy thích hợp với sấy nông sản, thực phẩm dược liệu bán kính VLS nhỏ 10cm Ưu điểm công nghệ sấy sản phẩm khô toàn thể tích nhanh, nhiệt sinh từ phân tử nước chứa lòng VLS, làm cho nhiệt độ cao bề mặt đẩy ẩm bề mặt bay vào TNS Ví dụ: Để sấy khô 100 kg gừng lát từ độ ẩm ban đầu 90% xuống độ ẩm khoảng 1% với hệ thống sấy vi sóng - khí nóng công suất 15 kW hoàn thành công việc vòng Hiện để tăng khả tác động vi sóng với VLS có chiều dày lớn, công nghiệp người ta sử dụng vi sóng với tần số thấp 915 MHz gần với bước sóng Radio P a g e | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý Do rút ngắn thời gian sấy đạt độ ẩm cân cuối trình sấy vật liệu sấy thấp Đây ưu điểm vượt trội phương pháp sấy vi sóng so với tất phương pháp sấy nóng sấy lạnh khác Tốc độ sấy sản phẩm hệ thống vi sóng công nghiệp bị chi phối chủ yếu lượng nước cần phải tách khỏi sản phẩm, công suất lượng vi sóng sử dụng tính chất điện môi sản phẩm (khả sản phẩm làm giảm lượng vi sóng tác động kết lượng vi sóng bị hấp thụ) Các yếu tố khác có ảnh hưởng đến tốc độ trình sấy là: • • • • • Nhiệt dung riêng, nhiệt độ bay nhiệt nóng chảy sản phẩm; Nhiệt độ ban đầu nhiệt độ yêu cầu cuối sản phẩm; Độ ẩm ban đầu độ ẩm cuối mong muốn; Kích thước hình dạng sản phẩm; Hạn chế nhiệt độ sản phẩm Như vậy, lượng vi sóng giải pháp cho phép làm tăng nhiệt độ VLS nhanh giải pháp thông thường Tuy nhiên tốc độ tăng nhiệt độ VLS phụ thuộc mật độ lượng vi sóng tác động vào VLS Để trì nhiệt độ VLS nằm giới hạn mong muốn ta cần phải làm chủ khâu điều chỉnh công suất phát vi sóng cho phù hợp Nhược điểm phương pháp sấy vi sóng thiết bị sấy phức tạp, giá thành thiết bị cao Ngoài ra: • • • • Vi sóng tương tác với số kim loại sinh nhiệt cao dẫn đến cháy nổ, gây khó khăn việc thiết kế khung sấy buồng sấy; Với loại vật liệu sấy khác nhau, có lượng nước khác nhau, nên ảnh hưởng vi sóng lên loại vật liệu khác nhau, khó khống chế mức lượng mà vật liệu nhận được; Bản chất sấy vi sóng sấy sinh nhiệt với tốc độ nhanh, cần phải giải toán điều chỉnh công suất phát sóng để đảm bảo nhiệt độ VLS nằm giới hạn cho trước, từ khắc phục ảnh hưởng nhiệt độ cao đến chất lượng sản phẩm sấy; Mức tiêu thụ điện hệ thống sấy vi sóng công nghiệp mức trung bình khoảng kWh/kg ẩm tách Tuy có thấp so với giải pháp sấy khác sấy không khí nóng tuần hoàn đến 30- P a g e | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý 40%, cao, cần phải nghiên cứu để giảm lượng tiêu thụ giải pháp sấy lai ghép 2.1.3 Sự kết hợp bơm nhiệt vi sóng Kết hợp (lai ghép) công nghệ sấy nhiệt độ thấp bơm nhiệt sử dụng kết hợp với vi sóng số giải pháp nhằm tăng khả ứng dụng tính cạnh tranh hai công nghệ Phương án kết hợp nêu cho phép giữ nguyên ưu điểm hai công nghệ sấy, đồng thời rút ngắn thời gian sấy (ưu điểm sấy vi sóng), tăng chất lượng sản phẩm trình sấy( ưu điểm sấy nhiệt độ thấp bơm nhiệt Hơn công nghệ lai ghép cho phép tiết kiệm lượng lượng đáng kể so với sử dụng riêng biệt công nghệ Do thời gian gần xuất số nghiên cứu nước vấn đề Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp với vi sóng thể hình Hình 2.2 Sơ đồ hệ thống sấy kết hợp bơm nhiệt phát vi sóng Trong nghiên cứu nêu tác giả với phương án kết hợp tác giả ưu điểm hệ thống: - - Tận dụng mạnh sấy bơm nhiệt nhiệt độ thấp sấy vi sóng cho phép sấy vật liệu có vỏ dày kích thước dày; Rút ngắn thời gian sấy khoảng nửa so với sấy bơm nhiệt P a g e | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học - Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý túy, có khả tiết kiệm lượng tiêu thụ tới 30-40%; Hệ số tách ẩm riêng phần SMER tăng tới 40% so với sấy bơm nhiệt túy Chính lý nêu nên xu hướng nghiên cứu kết hợp sấy bơm nhiệt với hệ thống phát vi sóng diễn mạnh mẽ vòng khoảng năm trở lại Hiện xuất số hệ thống sấy kết hợp bơm nhiệt, vi sóng sấy chân không Hệ thống theo tác giả, có hiệu sấy tốt, nhiên rõ ràng giá thành đầu tư chi phí vận hành đắt lại làm hẹp phạm vi ứng dụng Do phương án khả thi cho việc ứng dụng công nghệ sấy kết hợp bơm nhiệt vi sóng 2.2 Tiến hành thí nghiệm hệ thống sấy bơm nhiệt vi sóng BK-BNVS.10 2.2.1 Công tác chuẩn bị Để đảm bảo trình thí nghiệm an toàn, chất lượng, số liệu thí nghiệm xác, công tác chuẩn bị tốt ban đầu thiếu Trước tiến hành thí nghiệm sấy chum ngây phải thực công việc sau: • Kiểm tra tình trạng máy thí nghiệm Hình 2.3 Hệ thống sấy lạnh bơm nhiệt kết hợp vi sóng BK-BNVS.10 P a g e | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý Kiểm tra thiết bị, phận máy máy nén, dàn trao đổi nhiệt, quạt ly tâm, quạt hướng trục, động quạt, van, thiết bị điện…Đối với thiết bị có phận bôi trơn cần thiết phải bảo dưỡng, tra dầu mỡ Đặc biệt đầu đo, lâu ngày máy không chạy, dễ xảy đứt mối nối, han gỉ, không tiếp xúc, gây sai số… Vì tiến hành kiểm tra kỹ, đo thông mạch kiểm tra đầu đo, kiểm tra độ xác, đầu đo không đảm bảo thay Sau kiểm tra xong thiết bị, phận ta cho máy chạy thử để đánh giá xác tình trạng máy khắc phục để đảm bảo máy hoạt động hiệu tốt • Kiểm tra rò lọt không khí Khi máy hoạt động an toàn, hiệu quả, trước đưa máy vào thí nghiệm sấy, công việc thiếu kiểm tra rò lọt không khí Đặc điểm sấy bơm nhiệt nhiệt độ thấp nhiệt độ độ ẩm không khí sau sấy nhỏ nên phải tránh rò lọt không khí Khi không khí lọt mang lượng ẩm lớn vào làm giảm hiệu suất sấy, độ ẩm buồng sấy giảm xuống tới mức yêu cầu, vật liệu sấy không khô Vì tiến hành dùng băng dính, keo dính silicon làm kín vào khe, mối lắp ghép, lỗ hở, đặc biệt phía quạt hút Sau cho máy chạy thử không tải đo thông số không khí trước sau chu kì sấy Hệ thống đảm bảo rò lọt không khí • Chuẩn bị thí nghiệm Trên sở nghiên cứu bơm nhiệt sấy, để tiến hành thí nghiệm đảm bảo thông số thí nghiệm, chế độ thí nghiệm, xây dựng trước số thí nghiệm, chế độ thí nghiệm cụ thể giá trị tTNS, GVLS, uTNS, BP cụ thể Số thí nghiệm xây dựng sở: đánh giá ảnh hưởng thông số tTNS, GVLS, uTNS, BP đến hiệu trình sấy chùm ngây xác định phương án tối ưu Với chế độ thí nghiệm để xác định giá trị tối ưu thông số chế P a g e 10 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý độ thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng thông số đến hiệu sấy Các thí nghiệm tiến hành sấy theo mẻ Chùm ngây rửa Đối với chùm ngây tuốt cắt nhỏ cuống, sau cuống lên khay Trước rải lên khay sấy, cân đủ khối lượng chùm ngây cần sấy cho mẻ Ngoài thông số ảnh hưởng lớn nhất, chiều dày lớp chùm ngây khay sấy ảnh hưởng đến hiệu sấy Để đánh giá xác đầy đủ ảnh hưởng thông số, trình thí nghiệm, theo dõi, quan sát thay đổi thứ tự khay sấy buồng sấy, số lượng khay sấy Cùng khối lượng vật liệu sấy, thay đổi số lượng khay sấy chiều dày lớp vật liệu sấy khác 2.2.2 Tiến hành thí nghiệm Các khay sấy xếp theo thứ tự tầng buồng sấy, ta tiến hành đóng cửa buồng sấy, làm kín cho máy chạy Tiến hành lấy số liệu thực nghiệm theo trình tự sau: Bấm đồng hồ ghi lại thời gian bắt đầu máy làm việc; Ghi lại số công tơ điện thời điểm máy bắt đầu làm việc; Đo tốc độ gió lưu chuyển hệ thống; Khi hệ thống làm việc ổn định, vặn núm chuyển mạch ghi lại giá trị nhiệt độ, độ ẩm không khí điểm buồng sấy; Ghi lại giá trị áp suất môi chất lạnh đồng hồ đo áp suất; Cân khối lượng vật liệu sấy; Lặp lại từ bước đến bước sau tiếng đồng hồ để lấy số liệu; Ghi lại số công tơ điện, thời gian thí nghiệm Kết thúc chế độ thí nghiệm; Đóng gói vật liệu sau sấy, cân khối lượng thu sau sấy 2.3 Tính toán phần mềm đánh giá ảnh hưởng thông số so sánh với số liệu thực nghiệm 2.3.1 Mô hình toán học phần mềm đánh giá ảnh hưởng thông số tới hệ thống bơm nhiệt kết hợp với vi sóng Với thông số cho trước hệ thống sấy: P a g e 11 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý Năng suất hệ thống sấy: G2 (kg/mẻ) Độ ẩm vào vật liệu sấy: ω1 ω2 (%) o Nhiệt độ tác nhân sấy vào buồng sấy: t5 ( C) Độ ẩm tác nhân sấy vào buồng sấy: φ5 (%) Thời gian sấy mẻ: τ (h) Áp suất khí quyển: B = 745/750 (bar) Lưu lượng không khí: Gkk (m /h) Các bước tính toán phần mềm: Lượng nước ngưng (lượng ẩm cần bốc ) mẻ sấy: ω1 − ω Wme = G2 − ω1 Khối lượng sản phẩm ban đầu: G1 = G2 + Wme Lượng ẩm trung bình cần bốc 1h: Wh = Wme τ Nhiệt độ ngưng tụ chu trình là: tk1 = t5 + Δtmin Phân áp suất bão hòa điểm 5: 4026, 42 pb5 = exp 12 − ÷ 235,5 + t5 Độ chứa điểm 5: d5 = 0,621 φ5 pb B − φ5 pb5 Entanpy điểm 5: I5 = Cpk.t5 + d5.(r + Cpa.t5) Các thông số điểm 1: Coi trình sấy đẳng nhiệt => t1= t5 4026,42 pb1 = exp 12 − ÷ 235,5 + t1 W ∆ d = d1 − d = h Gkk d1 = d5 + ∆d I1 = 1,004.t1 + d1.(2500+1,842.t1) P a g e 12 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học φ1 = Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý B.d1 pb1.(0,621 + d1 ) Các thông số điểm (sau dàn bay 1): Không có không khí Bypass nên d2 = d1 Chọn φ2 để suất lạnh phân bố dàn B.d (0,621 + d ).φ2 1200,42 + 235,5.ln( pb ) t2 = 12 − ln( pb ) pb = I2 = 1,004.t2+d2.(2500+1,842.t2) Chọn t01 = t2 - Δt0 Các thông số điểm (sau dàn bay 2) d3=d5 Chọn độ ẩm tương đối φ3 pb3 = B.d3 0,621 + d3 1200,42 + 235,5.ln( pb ) 12 − ln( pb ) I3 = 1,004.t3+d3.(2500+1,842.t3) t02 = t3 – Δt2 t2’ = t3 + 0,5.(t5 – t3) tk2 = t2’+ Δtmin Tính toán chu trình: Năng suất lạnh riêng q0 = h1 – h4 Năng suất giải nhiệt dàn ngưng tụ: qk = h2 – h3 Công nén riêng chu trình: l = h2 – h1 t3 = COP = Qq0 L Hệ số lạnh: Lượng nhiệt tổng: Q0=(Gkk/3600) (I1 - I2) m = Q0 q0 Lưu lượng môi chất: Lượng nhiệt thải dàn ngưng 1: Qk = m qk Công cấp vào chu trình : LS = (l m) Thể tích hút thực tế máy nén : Vtt = m v P a g e 13 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Hiệu suất thị: Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý ηi = t0 + 0,0025.t0 tk Ni = Ls ηi Công suất thị: Công suất ma sát: Nms1=Vtt1 pms1 Công suất hữu ích trục máy nén: Ne = Ni + Nms Công suất điện tiêu thụ máy nén: Hiệu tách ẩm riêng phần: SMER = N el = Ne η td η el Wh L Giao diện phần mềm Hình 2.4 hiển thị kết sau tính toán phần mềm Hình 2.4 Kết tính toán Khi muốn đánh giá ảnh hưởng yếu tố nào, ta khóa thông số lại cho giá trị chạy khoảng phù hợp Thực lệnh: Tables -> New Parametric Table, chọn giá trị muốn thể P a g e 14 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý bảng Ví dụ, muốn đánh giá ảnh hưởng độ ẩm không khí thổi vào buồng sấy φ5 tới giá trị SMER COP2, ta cho giá trị φ5 chạy (hình 2.5) Hình 2.5 Ảnh hưởng φ5 tới COP2 SMER Cách làm tương tự thông số ảnh hưởng khác mà ta muốn đánh giá, để có độ xác cao hơn, ta nên chọn dải giá trị lớn Hình 2.6 Chọn lựa dải giá trị lớn P a g e 15 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý Để thiết kế giao diện chương trình, từ cửa sổ “Equations Window” ta chọn “Diagram Window” Hình 2.7 Giao diện chương trình 2.3.2 Tính toán SMER qua phần mềm so sánh với giá trị thực nghiệm a, Chế độ sấy Ta có thông số đầu vào, đầu sau: Trong đó: Vận tốc không khí thổi vào buồng sấy: vkk = 0,74 m/s o Nhiệt độ không khí thổi vào buồng sấy: t5 = 40 C Độ ẩm tương đối không khí thổi vào buồng sấy: φ5 = 16 % P a g e 16 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý Lượng ẩm tách đơn vị điện tiêu thụ: SMER [kga/kWh] Hệ số lạnh chu trình 2: COP2 Theo thực nghiệm, ta có bảng thông số sau: VẬT LIỆU SẤY (kg) Tên Bắt đầu 1h 2h Khay 0,35 0,29 0,26 Khay 0,4 0,34 0,275 Khay 0,4 0,34 0,3 Khay 0,4 0,31 0,265 Khay 0,4 0,35 0,31 1,31 G 0,995 0,775 0,78 0,713 0,631 w2 21 SME 0,190 0,130 R 33 86 Công suất điện tiêu thụ: 3h 4h 5h 6h 7h 8h 0,23 0,21 0,2 0,19 0,18 0,18 0,265 0,235 0,205 0,2 0,19 0,19 0,26 0,23 0,21 0,205 0,205 0,2 0,22 0,2 0,19 0,185 0,185 0,18 0,28 0,255 0,21 0,195 0,19 0,19 0,62 0,495 0,38 0,34 0,315 0,305 0,539 75 0,092 19 0,423 53 0,074 35 0,249 07 0,068 0,160 72 0,023 79 0,094 11 0,014 87 0,064 41 0,005 95 Công suất điện tiêu thụ ( kWh ) ∑Công suất hệ thống (N1) 13,45 ∑ Công suất máy nén & quạt dàn ngưng (N2) 10,83 ∑ Công suất quạt gió tuần hoàn (N3) 1,65 Để tính toán SMER trường hợp này, ta lấy tổng lượng ẩm trung bình tách chia cho thời gian sấy Ta có công thức sau: P a g e 17 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý (Gi − Gi +1 ) N1 i=0 τ SMER = ∑ Trong đó: G – Khối lượng vật liệu sấy N1 – Tổng công suất hệ thống sau trình sấy τ – Thời gian sấy Từ đó, SMER tính là: (Gi − Gi +1 ) = 0.0751[ kga / kWh ] 13,45 i=0 SMER = ∑ b, Chế độ sấy Trong đó: Vận tốc không khí thổi vào buồng sấy: vkk = 0,9 m/s Độ ẩm tương đối không khí sau dàn bay 1: φ2 = 59 % o Nhiệt độ không khí thổi vào buồng sấy: t5 = 25 C Độ ẩm tương đối không khí thổi vào buồng sấy: φ5 = 30 % Lượng ẩm tách đơn vị điện tiêu thụ: SMER [kga/kWh] Hệ số lạnh chu trình 2: COP2 Theo thực nghiệm, ta có bảng thông số sau: VẬT LIỆU SẤY (kg) Tên Bắt đầu 1h Khay 0,35 0,315 Khay 0,25 0,22 2h 3h 4h 5h 6h 7h 8h 0,29 0,27 0,255 0,24 0,225 0,21 0,2 0,205 0,2 0,19 0,18 0,175 0,17 0,16 P a g e 18 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Khay 0,35 0,31 0,28 Khay 0,35 0,315 0,29 Khay 0,35 0,305 0,28 1,01 G2 0,83 0,71 0,78 0,734 0,689 w2 63 78 SME 0,114 0,074 R 67 38 Công suất điện tiêu thụ Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý 0,26 0,24 0,23 0,22 0,21 0,20 0,27 0,255 0,235 0,22 0,2 0,19 0,26 0,24 0,225 0,21 0,2 0,19 0,625 0,545 0,475 0,415 0,355 0,647 59 0,052 69 0,595 86 0,049 59 0,536 31 0,043 39 0,469 27 0,037 19 0,379 56 0,037 19 0,31 0,30 078 0,02 479 Công suất điện tiêu thụ ( kWh ) ∑Công suất hệ thống 14,52 ∑ Công suất máy nén & quạt dàn ngưng 11,32 ∑ Công suất quạt gió tuần hoàn 2,12 Để tính toán SMER trường hợp này, ta lấy tổng lượng ẩm trung bình tách chia cho thời gian sấy Ta có công thức sau: (Gi − Gi +1 ) N1 i=0 τ SMER = ∑ Trong đó: G – Khối lượng vật liệu sấy N1 – Tổng công suất hệ thống sau trình sấy τ – Thời gian sấy Từ đó, SMER tính là: (Gi − Gi +1 ) = 0.0542 [ kga / kWh ] 14,52 i=0 SMER = ∑ c, Chế độ sấy P a g e 19 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học • Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý Ta có thông số đầu vào sau: Vận tốc không khí thổi vào buồng sấy: vkk = 0,9 m/s o Nhiệt độ không khí thổi vào buồng sấy: t5 = 25 C Độ ẩm tương đối không khí thổi vào buồng sấy: φ5 = 30 % Lượng ẩm tách đơn vị điện tiêu thụ: SMER [kga/kWh] Hệ số lạnh chu trình 2: COP2 Theo thực nghiệm, ta có bảng thông số sau: VẬT LIỆU SẤY (kg) Tên Bắt đầu 1h Khay 0,44 0,39 Khay 0,44 0,395 Khay 0,44 0,4 0,98 G2 0,85 0,71 0,668 w2 58 SME 0,075 R 79 2h 3h 4h 5h 6h 7h 0,36 0,34 0,31 0,29 0,275 0,26 0,355 0,34 0,31 0,29 0,275 0,26 0,36 0,33 0,31 0,29 0,275 0,26 0,74 0,675 0,595 0,535 0,49 0,445 0,619 31 0,061 75 0,582 65 0,036 49 0,526 54 0,044 91 0,473 44 0,033 68 0,425 08 0,025 26 0,366 94 0,025 26 Công suất điện tiêu thụ: Công suất điện tiêu thụ ( kWh ) ∑Công suất hệ thống ( 14,25 P a g e 20 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý ∑ Công suất máy nén + Quạt dàn ngưng ∑ Công suất quạt gió tuần hoàn 11,41 1,88 Để tính toán SMER trường hợp này, ta lấy tổng lượng ẩm trung bình tách chia cho thời gian sấy Ta có công thức sau: (Gi − Gi +1 ) N1 i=0 τ SMER = ∑ Trong đó: G – Khối lượng vật liệu sấy N1 – Tổng công suất hệ thống sau trình sấy τ – Thời gian sấy Từ đó, SMER tính là: (Gi − Gi +1 ) = 0.040 [ kga / kWh ] 14,25 i=0 SMER = ∑ d, So sánh kết lý thuyết thực tế Từ kết tính toán trường hợp trên, ta có bảng đồ thị sau: Bảng 2.2 SMER tính toán thực tế lý thuyết Chế độ (40 độ C 0,74 m/s) Chế độ (25 độ C 0,9 m/s) Chế độ (40 độ C 0,9 m/s) SMER tính toán thực tế 0,0751 0,0542 0,040 SMER tính toán lý thuyết 0,080 0,0561 0,0427 Sai số 6,13% 3,39% 6,32% P a g e 21 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý Hình 2.4 Đồ thị so sánh SMER thực tế lý thuyết Nhìn vào bảng đồ thị trên, ta thấy sai số SMER tính toán lý thuyết thực tế nhỏ (sai số nhỏ 3,39% lớn 6,32%) nên mức độ xác, tin cậy phần mềm cao Sai số nhiều nguyên nhân tác động, nhiên tố bao gồm: Các tổn thất nhiệt bên Sai số thiết bị đo e, Ảnh hưởng yếu tố tới khả tách ẩm có vi sóng +/ Ta có bảng độ giảm khối lượng vật liệu sấy sau 6h: 45 độ C 40 độ C 35 độ C Trung bình theo tốc độ 0,9 m/s 67,8 % 78,0 % 70,4 % 72,1 % 0,74 m/s 80,5 % 78,6 % 71,6 % 76,9 % 0,575 m/s 71,3 % 81,5 % 72,4 % 75,1 % Trung bình 73,2 % 79,4 % theo nhiệt độ Ảnh hưởng nhiệt độ 71,4 % +/ Nhìn vào đồ thị ta thấy khối lượng vật liệu sấy giảm mạnh tiếng đầu tiên, tiếng sau giảm chậm không đáng kể +/ Từ kết trên, ta thấy nhiệt độ tác nhân sấy ảnh hưởng lớn tới trình sấy Khi sấy nhiệt độ 40 oC, khối lượng vật liệu sấy giảm nhanh ổn định so với nhiệt độ 35 oC 45 oC Cụ thể sau tiếng, chế độ sấy 40 P a g e 22 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý o C khối lượng vật liệu sấy giảm 79,4%, 45 oC 73,2%, 35 o C 71,4 % Ảnh hưởng tốc độ tác nhân sấy +/ Ở nhiệt độ 45 oC với tốc độ tác nhân sấy 0,74 m/s cho hiệu tách ẩm cao nhất, khối lượng vật liệu sấy sau 6h giảm 80,5 % mà công suất vi sóng lại nhỏ (3,67 kW) +/ Ở nhiệt độ 40 oC 35 oC với tốc độ tác nhân sấy 0,575 m/s cho hiệu tách ẩm cao (khối lượng vật liệu sấy giảm 81,5% 72,4%) công suất phát vi sóng lại không nhỏ +/ Nếu tính lượng ẩm tách trung bình chế độ 0,74 m/s cho hiệu tốt (khối lượng vật liệu sấy sau 6h giảm 76,9%) Hiệu tách ẩm trình sấy có tác động vi sóng thể qua bảng 2.3: Bảng 2.3 Hiệu tách ẩm trình sấy có tác động vi sóng v Công suất vi sóng SMER (kga/kWh) (m/s) (kW) 0,575 0,0875 6,24 35 0,74 0,0961 2,87 0,9 0,0775 3,14 0,575 0,0934 4,06 40 0,74 0,1077 3,22 0,9 0,0817 4,06 0,575 0,1220 4,21 45 0,74 0,1012 3,67 0,9 0,0943 4,58 +/ Nhìn vào bảng trên, ta thấy hiệu tách ẩm cao chế độ (40 oC; 0,74 t P a g e 23 | 24 Báo cáo nghiên cứu khoa học Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý m/s) (45oC; 0,575 m/s), chế độ (45 oC; 0,575 m/s) có hiệu tách ẩm cao hơn, công suất vi sóng lại lớn so với chế độ (40oC; 0,74 m/s) +/ Với công suất vi sóng tác dụng, chế độ (40 oC; 0,575 m/s) có hiệu tách ẩm cao so với chế độ (40 oC; 0,9 m/s) Điều cho thấy, sấy nhiệt độ 40oC tốc độ tác nhân sấy nên < 0,9 m/s +/ Khi sấy 45oC, ta thấy giá trị SMER tỉ lệ nghịch với vận tốc tác nhân sấy, vận tốc nhỏ hiệu tách ẩm cao Công suất vi sóng chế độ 0,9 m/s rõ ràng lớn 0,74 m/s 0,575 m/s cho hiệu tách ẩm chế độ Vậy nên, nhiệt độ 45 oC, ta nên chọn tốc độ tác nhân sấy thấp +/ Khi sấy nhiệt độ 35 oC 40 oC, ta thấy tốc độ phù hợp nhất, đem lại hiệu tách ẩm cao 0,74 m/s, với công suất vi sóng tác dụng nhỏ +/ Với tốc độ tác nhân sấy 0,74 m/s nhiệt độ 40 oC đem lại hiệu tách ẩm cao Còn với nhiệt độ 35 oC thấp hẳn, công suất vi sóng tác dụng có nhỏ so với chế độ 45 oC 40oC chút không đáng kể Kết luận Qua việc tính toán phần mềm, ta thấy chi tiết mức độ ảnh hưởng yếu tố đến hiệu tách ẩm riêng phần, hệ số lạnh, mức tiêu hao lượng, Từ hỗ trợ việc tìm chế độ sấy tối ưu dễ dàng mà không cần phải thời gian, công sức làm nhiều lần thí nghiệm khác thông số đầu vào thay đổi Việc tìm ra, đánh giá mức độ ảnh hưởng yếu tố công cụ hỗ trợ đắc lực việc tính toán, thiết kế hệ thống sấy Ngoài ra, với chức năng, ưu điểm phần mềm này, ta tiết giảm chi phí vận hành thí nghiệm, chi phí lắp đặt thiết bị, qua góp phần tiết kiệm lượng đáng kể bảo vệ môi trường P a g e 24 | 24