Nghiên cứu, phân tích hiệu quả làm việc của hệ thống sấy lạnh

MỤC LỤC Lời cảm ơn .................................................................................................. 6 Lời cam đoan ............................................................................................... 6 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt ......................................................... 6 Danh mục các bảng...................................................................................... 6 Danh mục các hình vẽ, đồ thị ....................................................................... 6 MỞ ĐẦU ..................................................................................................... 6 CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỀ TÀI ......... 6 1.1 Tình hình nghiên cứu về bơm nhiệt sấy lạnh của các tác giả nước ngoài ........ 6 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến lĩnh vực của luận văn ........ 15 1.3 Kết luận chương 1 ............................................................................................ 15 1.4 Xác định đề tài ................................................................................................. 15 1.4.1 Đề tài nghiên cứu ......................................................................................... 23 1.4.2 Mục đích nghiên cứu của luận văn ............................................................. 24 1.4.3 Nội dung nghiên cứu ................................................................................... 30 1.4.4 Đối tượng nghiên cứu .................................................................................. 30 1.4.5 Phạm vi nghiên cứu ..................................................................................... 30 1.4.6 Phương pháp nghiên cứu ............................................................................. 30 CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SẤY LẠNH ........................... 6 2.1 Quá trình sấy và phân loại các phương pháp sấy ........................................... 23 2.1.1 Quá trình sấy ................................................................................................ 23 2.1.2 Đặc tính quá trình sấy lạnh ......................................................................... 23 2.1.3 Phân loại các phương pháp sấy ................................................................... 24 2.1.4 Các kết cấu cơ bản của hệ thống sấy bằng bơm nhiệt ............................... 30 2.2 So sánh phương pháp sấy lạnh dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp với các phương pháp sấy khác ........................................................................................................ 33 2.3 Kết luận chương 2 ............................................................................................ 23 CHƯƠNG 3: BƠM NHIỆT VÀ PHƯƠNG PHÁP SẤY BƠM NHIỆT ...... 36 3.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt ......................................... 36 3.1.1 Khái niệm bơm nhiệt ................................................................................... 36 3.1.2 Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt ............................................................. 37 3.2 Bơm nhiệt sấy và hút ẩm ................................................................................. 38 3.2.1 Ứng dụng của bơm nhiệt để hút ẩm ........................................................... 40 3.2.2 Ứng dụng của bơm nhiệt để sấy ................................................................ 42 3.2.3 Ứng dụng sấy gỗ .......................................................................................... 43 3.2.4 Bơm nhiệt chu trình hở sử dụng trong công nghiệp sấy ........................... 46 3.3 Kết luận chương 3 ............................................................................................ 38 CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BƠM NHIỆT SẤY LẠNH ............................................................................................... 49 4.1 Phương pháp năng lượng nghiên cứu các quá trình nhiệt lạnh .................. 50 4.1.1 Đại cương về năng lượng ............................................................................ 50 4.1.2 Phương pháp năng lượng ............................................................................ 54 4.2 Phương pháp entropy ...................................................................................... 55 4.2.1 Khái niệm về entropy .................................................................................. 55 4.2.2 Định luật nhiệt động thứ hai ....................................................................... 56 4.2.3 Phương pháp entropy................................................................................... 58 4.3 Phương pháp exergy ........................................................................................ 58 4.3.1 Khái niệm về exergy .................................................................................... 58 4.3.2 Phương pháp exergy .................................................................................... 59 4.4 Công thức tính toán và phương trình cân bằng exergy.................................. 60 4.4.1 Công thức tính toán Exergy ........................................................................ 60 4.4.2 Phương trình cân bằng Exergy.................................................................... 63 4.5 Thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng exergy trong hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh............................................................................................................. 60 4.6 Xây dựng chương trình tính toán hiệu quả làm việc hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh............................................................................................................................. 60 4.6.1 Giới thiệu về phần mềm EES ...................................................................... 70 4.6.2 Chương trình tính toán hiệu quả làm việc hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh.. 73 4.7 Kết luận chương 4 ............................................................................................ 58 CHƯƠNG 5: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG SẤY LẠNH BƠM NHIỆT ............................................... 75 5.1 Thiết bị bơm nhiệt sấy lạnh BKBSH 1.4 ........................................................ 75 5.1.1 Một số thông số của thiết bị. ....................................................................... 76 5.1.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện. .................................................................. 77 5.1.3 Các chức năng của BKBSH 1.4 ..................................................................... 80 5.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm ................................................................. 80 5.2.1 Công tác chuẩn bị. ....................................................................................... 80 5.2.2 Phương pháp đo đạc và tiến hành thí nghiệm. ........................................... 80 5.3 Đánh giá ảnh hưởng của các thông số quá trình đến khả năng tách ẩm của dàn lạnh và hiệu quả sấy khô của máy sấy lạnh bơm nhiệt ........................................ 80 5.3.1 Xử lý kết quả thí nghiệm. ............................................................................ 80 5.3.2 Đánh giá ảnh hưởng của các thông số quá trình đến hiệu quả làm việc của máy bơm nhiệt sấy lạnh. ....................................................................................... 80 5.4 Kết luận chương 5 ............................................................................................ 80 CHƯƠNG 6: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY CHẾ ĐỘ SẤY BẮP CẢI ............................................................................................................... 75 6.1 Phân tích lựa chọn các thông số chế độ sấy .................................................... 75 6.1.1 Nhiệt độ TNS. .............................................................................................. 76 6.1.2 Nhiệt độ bay hơi của dàn lạnh. ................................................................... 77 6.1.3 Chế độ quạt khi xả băng bám trên dàn lạnh. .............................................. 76 6.1.4 Thời gian máy nghỉ xả băng........................................................................ 77 6.1.5 Tỷ lệ Bypass qua dàn lạnh. ......................................................................... 76 6.1.6 Tốc độ TNS. ................................................................................................. 77 6.1.7 Khối lượng vật liệu sấy một mẻ. ................................................................. 76 6.1.8 Thời gian máy làm việc trong một chu kỳ. ................................................ 77 6.2 Hàm mục tiêu và xác định miền khảo sát của các thông số .......................... . 75 6.2.1 Hàm mục tiêu của đối tượng nghiên cứu. .................................................. 76 6.2.2 Xác định miền khảo sát của các thông số. ................................................. 77 6.3 Xây dựng mô hình giải tích cho đối tượng nghiên cứu.................................. 75 6.3.1 Đặt bài toán. ................................................................................................. 76 6.3.2 Phương pháp quy hoạch trực giao. ............................................................. 76 6.4 Xây dựng phương trình hồi quy....................................................................... 75 6.5 Kết luận chương 6.............................................................................................. 75 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT ................................................................................... 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 80 PHỤ LỤC ............................................................................................................... 80

MỤC LỤC

Lời cảm ơn - 6 -

Lời cam đoan - 6 -

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt - 6 -

Danh mục các bảng - 6 -

Danh mục các hình vẽ, đồ thị - 6 -

MỞ ĐẦU - 6 -

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỀ TÀI - 6 -

1.1 Tình hình nghiên cứu về bơm nhiệt sấy lạnh của các tác giả nước ngoài -

6 - 1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước liên quan đến lĩnh vực của luận văn

- 15 - 1.3 Kết luận chương 1 - 15

- 1.4 Xác định đề tài 15

-1.4.1 Đề tài nghiên cứu - 23 -

1.4.2 Mục đích nghiên cứu của luận văn - 24 -

1.4.3 Nội dung nghiên cứu - 30 -

1.4.4 Đối tượng nghiên cứu - 30 -

1.4.5 Phạm vi nghiên cứu - 30 -

1.4.6 Phương pháp nghiên cứu - 30 -

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SẤY LẠNH - 6 -

2.1 Quá trình sấy và phân loại các phương pháp sấy - 23

- 2.1.1 Quá trình sấy - 23 -

2.1.2 Đặc tính quá trình sấy lạnh - 23 -

2.1.3 Phân loại các phương pháp sấy - 24 -

2.1.4 Các kết cấu cơ bản của hệ thống sấy bằng bơm nhiệt - 30 -

2.2 So sánh phương pháp sấy lạnh dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp với các phương pháp sấy khác - 33 -

2.3 Kết luận chương 2 - 23

-

CHƯƠNG 3: BƠM NHIỆT VÀ PHƯƠNG PHÁP SẤY BƠM NHIỆT - 36 -

3.1 Khái niệm và nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt - 36

- 3.1.1 Khái niệm bơm nhiệt - 36 -

3.1.2 Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt - 37 -

3.2 Bơm nhiệt sấy và hút ẩm - 38

- 3.2.1 Ứng dụng của bơm nhiệt để hút ẩm - 40 -

3.2.2 Ứng dụng của bơm nhiệt để sấy - 42 -

3.2.3 Ứng dụng sấy gỗ - 43 -

3.2.4 Bơm nhiệt chu trình hở sử dụng trong công nghiệp sấy - 46 -

3.3 Kết luận chương 3 - 38

- CHƯƠNG 4: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BƠM NHIỆT SẤY LẠNH - 49 -

4.1 Phương pháp năng lượng nghiên cứu các quá trình nhiệt - lạnh - 50

- 4.1.1 Đại cương về năng lượng - 50 -

4.1.2 Phương pháp năng lượng - 54 -

4.2 Phương pháp entropy - 55

- 4.2.1 Khái niệm về entropy - 55 -

4.2.2 Định luật nhiệt động thứ hai - 56 -

4.2.3 Phương pháp entropy - 58 -

4.3 Phương pháp exergy - 58

- 4.3.1 Khái niệm về exergy - 58 -

4.3.2 Phương pháp exergy - 59 -

4.4 Công thức tính toán và phương trình cân bằng exergy - 60

- 4.4.1 Công thức tính toán Exergy - 60

- 4.4.2 Phương trình cân bằng Exergy - 63 -

4.5 Thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng - exergy trong hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh -

-

5.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm - 80

-

5.2.1 Công tác chuẩn bị - 80 - 5.2.2 Phương pháp đo đạc và tiến hành thí nghiệm - 80 -

5.3 Đánh giá ảnh hưởng của các thông số quá trình đến khả năng tách ẩm của dàn lạnh và hiệu quả sấy khô của máy sấy lạnh bơm nhiệt

- 80 -

5.3.1 Xử lý kết quả thí nghiệm - 80 - 5.3.2 Đánh giá ảnh hưởng của các thông số quá trình đến hiệu quả làm việc của máy bơm nhiệt sấy lạnh - 80 -

6.1.1 Nhiệt độ TNS - 76 -

6.1.2 Nhiệt độ bay hơi của dàn lạnh - 77 -

6.1.3 Chế độ quạt khi xả băng bám trên dàn lạnh - 76 -

6.1.4 Thời gian máy nghỉ xả băng - 77 -

6.1.5 Tỷ lệ Bypass qua dàn lạnh - 76 -

6.1.6 Tốc độ TNS - 77 -

6.1.7 Khối lượng vật liệu sấy một mẻ - 76 -

6.1.8 Thời gian máy làm việc trong một chu kỳ - 77 -

6.2 Hàm mục tiêu và xác định miền khảo sát của các thông số - 75

- 6.2.1 Hàm mục tiêu của đối tượng nghiên cứu - 76 -

6.2.2 Xác định miền khảo sát của các thông số - 77 -

6.3 Xây dựng mô hình giải tích cho đối tượng nghiên cứu 75

-6.3.1 Đặt bài toán - 76 -

6.3.2 Phương pháp quy hoạch trực giao - 76 -

6.4 Xây dựng phương trình hồi quy - 75

- 6.5 Kết luận chương 6 - 75

- KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT -

80 - TÀI LIỆU THAM KHẢO - 80

- PHỤ LỤC 80

MỞ 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 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 chếbiến sau thu hoạch của các loại nông sản, thực phẩm, dược liệu kết hợp với sửdụng công nghệ sẽ trực tiếp và gián tiếp đóng góp cho việc sử dụng nănglượng tiết kiệm, hiệu quả và bảo vệ môi trường Ngược lại, ứng dụng nhữngcông nghệ tiên tiến có hiệu quả năng lượng sẽ góp phần giảm tổn thất sau thuhoạch lại góp phần đảm bảo an ninh lương thực trên thế giới

Trong các quá trình chế biến, bảo quản sau thu hoạch, ứng dụng các côngnghệ sấy nông sản nhằm kéo dài thời gian bảo quản quản và giữ được phầnnào chất lượng ban đầu của sản phẩm rất phổ biến với ưu điểm chính là có chiphí thấp và ít tiêu hao năng lượng trong khâu bảo quản so với bảo quản lạnh.Sấy rau quả vừa để tạo ra sản phẩm mới, vừa là phương pháp bảo quản hữuhiệu Phát triển sản phẩm sấy khô góp phần giải quyết vấn đề thời vụ củanguyên liệu rau quả, tránh dẫn tới mất mát sau thu hoạch, nhờ đó mà đem lạihiệu quả kinh tế cho người trồng trọt Đặc biệt, công nghệ sấy nông sản ở nhiệt

độ thấp hơn hoặc bằng nhiệt độ môi trường hay còn gọi là sấy lạnh trong thờigian gần đây rất được ưa chuộng vì nó có ưu điểm bảo tồn được các vitamin vàcác hợp chất hữu cơ có ích của sản phẩm tươi cũng như các hình thức về mặtthương phẩm như màu sắc, hình thức tốt hơn các phương pháp sấy nóng và sấybằng hồng ngoại, dòng điện cao tần Sấy lạnh được ứng dụng khá nhiều trongthực tế như: sản xuất chế biến các sản phẩm nhạy cảm với môi trường ẩm ướt

và sấy các sản phẩm không thể chịu được nhiệt độ cao Bơm nhiệt là thiết bịnhiệt lạnh tiết kiệm năng lượng nhất

Công nghệ sấy lạnh kết hợp bơm nhiệt (sấy lạnh bằng bơm nhiệt) là một trongnhững công nghệ sấy đang được nhiều nước trên thế giới nói chung và ViệtNam nói riêng quan tâm nghiên cứu, phát triển Sấy lạnh bằng bơm nhiệt cónhiều ưu điểm như: quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độ thấp, hiệu quả sửdụng năng lượng cao do sử dụng cả lượng nhiệt ở nguồn nóng và nguồn lạnh,quá trình sấy hoàn toàn độc lập với điều kiện bên ngoài nên sản phẩm sấythu được có chất lượng cao với giá thành vừa phải

Để quá trình sấy lạnh bằng bơm nhiệt đạt hiệu quả cao cần tìm được mối quan

hệ hợp lý để tăng cường độ sấy (thông qua tốc độ gió trong buồng sấy) và hiệuquả sấy nhờ giảm d, φ của dàn lạnh và dàn nóng trong bơm nhiệt

Vì những lẽ đó, luận văn đi sâu nghiên cứu, phân tích hiệu quả làm việc của

hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh để tăng khả năng tách ẩm của dàn lạnh và hiệuquả sấy khô của máy sấy lạnh bơm nhiệt

Việc xác định hiệu quả làm việc của một hệ thống nhiệt - lạnh là một vấn đềphức tạp vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Vì vậy, những kết quả đạt đượccủa luận văn này chỉ là những kết quả bước đầu và cần được tiếp tục nghiêncứu mở rộng

Do bản thân còn nhiều hạn chế về mặt kiến thức cũng như thời gian hoànthành, vì thế luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Em rất mongđược sự giúp đỡ và góp ý của các Thầy, Cô và các bạn học viên để nội dungcủa bản luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn.!

CHƯƠNG 1: NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VÀ XÁC ĐỊNH ĐỀ TÀI

1.1 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VỀ BƠM NHIỆT SẤY LẠNH CỦA CÁC TÁC GIẢ NƯỚC NGOÀI

1.1.1 Dùng bơm nhiệt độ thấp để sấy ngũ cốc sau thu hoạch

Nghiên cứu của trường đại học IOWA về sử dụng bơm nhiệt độ thấp đểsấy khô nông sản sau thu hoạch đã cho kết quả rất tốt [21]

Hàm lượng ẩm của sản phẩm sau sấy đạt từ 10%  20% tuỳ thuộc vàonhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí đưa vào sấy Hàm lượng ẩm cânbằng của ngũ cốc được thể hiện trong bảng 1.1

Bảng 1.1: Kết quả nghiên cứu của trường đại học IOWA

Nghiên cứu còn cho ta một số thông số về thiết bị để lắp đặt một hệ thống sấy,

về kết cấu của buồng sấy, lưu lượng gió và một số vấn đề khác để có thể vậnhành, quản lý an toàn một hệ thống sấy ngũ cốc Hình ảnh về một buồng sấyđược thể hiện ở hình 1.1

Hình 1.1: Hình ảnh buồng sấy ngũ cốc

Ngày nay ở các nước tiến tiến đã sử dụng bơm nhiệt độ thấp để sấy các sảnphẩm ngũ cốc sau thu hoạch

1.1.2 Nghiên cứu ứng dụng bơm nhiệt trong sấy xoài

Việc sấy nông sản gặp phải một số vấn đề đó là các chất dinh dưỡng, cácchất tạo màu, mùi vị, các loại Vitamin nhạy cảm với nhiệt độ nên trong quá

trình sấy thường bị giảm hoặc biến đổi Với ưu điểm lượng tiêu hao nănglượng bé, độ ẩm tương đối và nhiệt độ TNS thấp đồng thời các nghiên cứu đãchỉ ra rằng chất lượng màu sắc và mùi vị của nông sản sấy bằng bơm nhiệt tốthơn nhiều so với sấy nóng

Xoài là một sản phẩm khá nhạy cảm với nhiệt độ, có nhiều chất dinhdưỡng như là Vitamin A và C, mùi vị xoài cũng rất đặc biệt Trong [26] tác giảMacio N Kohayakawa và các cộng sự đã tiến hành thí nghiệm sấy xoài ở nhiệt

độ 30oC để có thể giữ màu sắc và mùi vị cho xoài Quá trình thí nghiệm nhằmđánh giá sự ảnh hưởng của tốc độ không khí và chiều dày lát tới hệ số khuyếchtán ẩm DL bằng cách xây dựng hàm hồi quy biểu diển mối quan hệ của DL vớichiều dày lát cắt và tốc độ gió TNS Khoảng thông số thí nghiệm: chiều dày lát2b = 5,8  14,2 mm, vận tốc gió buồng sấy TNS = 0,3  1,0 m/s

Tiến hành thí nghiệm theo quy hoạch trực giao với 10 chế độ thí nghiệm Tácgiả đã xây dựng phương trình hồi quy như sau:

DL = 4,2625 - 0,61922.TNS+ 0,380538.2

TNS +1,012517.(2b) - 0,90343

TNS.(2b) (1.1) Phương trình (1.1) cho thấy ảnh hưởng đồng thời của hai thông số cũngnhư mức độ ảnh hưởng của chúng đến hệ số khuyếch tán DL Ở đây, ảnhhưởng của tốc độ gió TNS là lớn nhất, sau đó đến chiều dày của VLS Tuynhiên, trong phương trình (1.1) không thấy đề cập đến ảnh hưởng của nhiệt độ,

độ ẩm sấy mặc dù ảnh hưởng của chúng là lớn đến hệ số khuyếch tán Điềunày cũng được chính các tác giả khẳng định trong nghiên cứu của mình Dovậy, cần có thêm những nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này

1.1.3 Nghiên cứu ứng dụng bơm nhiệt sấy lá cây linh lăng

Các tác giả cũng đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm quá trình sấy lácây linh lăng [6] Hệ thống bơm nhiệt có công suất điện máy nén là 0,424 kW,môi chất lạnh sử dụng là R134a Nhiệt độ sấy t = 30  45 0C, tốc độ gió trongbuồng sấy là 0,36 m/s, độ ẩm không khí RH = 15  30 % Độ ẩm ban đầu của lá

cây linh lăng là 70%, độ ẩm sau khi sấy là 10% Khối lượng VLS là 0,4 kg.Quá trình sấy được tiến hành theo 2 phương thức: sấy theo mẻ và sấy liên tụckiểu băng chuyền Thời gian sấy tương ứng ở mỗi phương thức theo mẻ và liêntục là 4,5 h và 4 h Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bằng bơm nhiệt được thể hiệntrên hình 1.2

I - Dàn bay hơi II - Máy nén III - Dàn ngưng IV - Bình chứa cao áp

V - Mắt ga VI - Phin sấy lọc VII - Van tiết lưu nhiệt

A - Quạt ly tâm B - Buồng sấy C - Điều chỉnh hướng gió D - Điện trở Đường áp suất cao Đường áp suất thấp , Nhiệt độ bầu ướt, khô Van

gió

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy xoài bằng bơm nhiệt

Thiết bị đo vận tốc gió + Đầu đo nhiệt độ nhiệt kế ướt x Đầu đo nhiệt độ nhiệt kế khô ● Thiết bị đo độ ẩm

Hình 1.3: Sơ đồ hệ thống sấy bằng bơm nhiệt

1.1.4 Ứng dụng bơm nhiệt để sấy rau quả

U.Teeboonma, J.Tiansuwan và S.Soponronnarit đã nghiên cứu nhằm tối

ưu hoá quá trình sấy các loại rau quả bằng bơm nhiệt tại Thái Lan Sơ đồnguyên lý của hệ thống bơm nhiệt được biểu diễn trên hình 1.4 [6]

CV - Điều chỉnh lưu lượng gió BP - Bypass không khí qua dàn lạnh

T i , ω i - Nhiệt độ, độ chứa hơi của không khí RC - Tỷ số không khí tuần hoàn

Hình 1.4: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống bơm nhiệt sấy rau quả

Hàm mục tiêu của bài toán tối ưu ở đây là tổng chi phí của bơm nhiệt Tổngchi phí này bao gồm: chi phí của buồng sấy, máy nén, dàn bay hơi, quạt, bảodưỡng và chi phí năng lượng Một số giả thiết được các tác giả đặt ra cho quátrình nghiên cứu:

- Năng suất mỗi mẻ sấy là 100 kg VLS tươi VLS được sử dụng ở đây là đu đủ

và xoài, đều được thái lát Độ ẩm đầu của đu đủ là 40%, của xoài là 60% ; độ

ẩm cuối của hai loại là 18%

- Sự thay đổi độ ẩm cuối của sản phẩm sấy giữa khay đầu và khay cuối nhỏhơn 3% Sở dĩ có giả thiết này là do phân bố nhiệt độ, độ ẩm của không khí

trong buồng sấy không thể đồng đều tuyệt đối được ở các khay đầu, độ ẩmcủa sản phẩm thường nhỏ hơn ở các khay cuối

- Tổng thời gian vận hành của hệ thống không lớn hơn 41h (trong đó, 6hchuẩn bị vật liệu, 35h sấy) Nếu lớn hơn khoảng thời gian này, sản phẩm sẽ

có nguy cơ bị mục rữa bởi sự tác động của vi khuẩn Nói khác đi, nếu thờigian càng ngắn, qui mô mở rộng của hệ thống bơm nhiệt càng cao

- Kích thước của dàn nóng ngoài bằng 60% so với dàn nóng trong

- Tuổi thọ của hệ thống là 5 năm, chi phí phòng cháy chữa cháy chiếm 10%tổng chi phí, tỷ lệ chiết khấu là 8%, chi phí bảo dưỡng chiếm 5% chi phí tổng

và giá bán điện là 3 Baht/kWh (những giá trị trên đây là những giá trị trungbình do chịu sự biến động của nền kinh tế)

Từ những giả thiết như trên, hàm mục tiêu Y phụ thuộc vào 4 thông số là:nhiệt độ không khí vào buồng sấy Tdi, tỷ lệ bypass không khí qua dàn lạnh BP,

tỷ lệ tuần hoàn không khí RC, lưu lượng không khí khô tuần hoàn trong

Dựa vào các quan hệ tính toán lý thuyết về sấy, chu trình bơm nhiệt, kinh

tế năng lượng và các số liệu thực nghiệm, các tác giả xác định được các thông

số tối ưu khi sấy xoài và sấy đu đủ, cụ thể:

- Thông số tối ưu khi sấy đu đủ: Tdi = 55 0C, BP = 69%, RC = 100%, ma =20,72 kg/h.kg sản phẩm khô Tổng chi phí tối ưu hằng năm là 17,25 Baht/kg,

phí năng lượng 12,02 Baht/kg Công suất điện của máy nén là 1,59 kW, côngsuất lạnh Weva = 5,08 kW ; nhiệt toả ra ở dàn nóng trong Wcond1 = 6,67 kW ;nhiệt toả ra ở dàn nóng ngoài Wcon2 = 4,00 kW Môi chất lạnh sử dụng là R22.

- Thông số tối ưu khi sấy xoài: Tdi = 55 0C, BP = 71%, RC = 100%, ma = 30,88kg/h.kg sản phẩm khô Tổng chi phí tối ưu hằng năm là 12,72 Baht/kg, trongđó: chi phí thiết bị: 2,99 Baht/kg, chi phí bảo dưỡng: 0,64 Baht/kg, chi phínăng lượng 9,09 Baht/kg Công suất điện của máy nén Wcomp = 1,64 kW, côngsuất lạnh Weva = 5,92 kW ; nhiệt toả ra ở dàn nóng trong Wcond1 = 7,56 kW ;nhiệt toả ra ở dàn nóng ngoài Wcond2 = 4,54 kW Môi chất lạnh sử dụng làR22

Trên cơ sở tối ưu hoá các thông số kỹ thuật - kinh tế đối với đu đủ và xoài,nghiên cứu đã kiến nghị nên chọn các thông số kỹ thuật khi thiết kế một hệthống sấy bằng bơm nhiệt như sau:

ma = 1400  1950 kg/h; BP = 59  70%; Tdi = 55 0C; RC = 100% ; Wcomp = 1,61 1,74 kW; Weva = 5,00  7,12 kW; Wcond1 = 6,62  8,87 kW

Như vậy, có thể thấy đây là một nghiên cứu khá đầy đủ, cụ thể về quá trìnhsấy rau quả sử dụng bơm nhiệt ở Thái Lan, cũng là một nước nhiệt đới có khíhậu nóng ẩm rất giống với nước ta Điều này một lần nữa chứng tỏ những ưuviệt của bơm nhiệt trong việc sấy các nông sản thực phẩm ở các nước nhiệtđới

1.1.5 Ứng dụng bơm nhiệt trong sấy các loại cây thảo mộc

Các loại cây thảo mộc có thể được sử dụng để làm rau, làm vị thuốc haydùng để chế biến các loại chất dùng để sản xuất mỹ phẩm… Fatouh, Helali,Phani [27] đã tiến hành sấy mùi tây,bạc hà… ở nhiệt độ thấp 30 - 35oC để thuđược sản phẩm có chất lượng cao Các tác giả đã tiến hành nghiên cứu chế độsấy với 3 yếu tố là: khối lượng vật liệu sấy trên một đơn vị diện tích bề mặt,nhiệt độ, lưu lượng không khí để xác định chế độ sấy tốt nhất Các tác giảcũng đã tiến hành nghiên cứu sấy các loại cỏ linh lăng, bạc hà, ngải cứu, bồ

được trình bày trong bảng 1.2 Dễ thấy rằng đây là các sản phẩm nhạy cảm vớinhiệt độ Các nghiên cứu tập trung xem xét giá trị SMER và mức độ tiêu haonăng lượng, kết quả được trình bày trong bảng 1.3 Giá trị SMER nằm trongkhoảng 0,06  0,61, sâm có giá trị SMER nhỏ nhất (0,06) và cà rốt có giá trị lớnnhất (0,6) Dựa vào tiêu hao năng lượng các tác giả cũng đã kết luận viêc sấybằng bơm nhiệt đã tiết kiệm 22% năng lượng và 65% thời gian so với việc sấybằng điện trở ở cùng nhiệt độ

Tuy nhiên các tác giả mới chỉ dừng lại ở mức độ khảo sát khẳ năng sấy của vậtliệu nhất là các loại thảo mộc khi dùng bơm nhiệt mà chưa đi sâu vào được bảnchất vấn đề tiết kiệm năng lượng đó là xác định chế độ sấy tối ưu

Bảng 1.2: Các thông số ban đầu của vật liệu sấy và chế độ sấy

T TNS vào [ o C]

Hàm lượng

ẩm ban đầu [%]

Hàm lượng

ẩm sau sấy [%]

Vận tốc TNS [m/s]

Qua các nghiên cứu của các tác giả trên thế giới ta thấy rằng:

- Mặc dù mức độ chuyên sâu và hoàn thiện khác nhau nhưng các nghiêncứu đều khẳng định viêc áp dụng bơm nhiệt vào hệ thống sấy là hiệu quả vềchất lượng sản phẩm và sử dụng năng lượng

- Các sản phẩm được sấy bằng bơm nhiệt đều là các sản phẩm có tínhnhạy cảm với nhiệt độ cao

- Chế độ sấy tối ưu là tổ hợp của rất nhiều yếu tố: thiết bị sấy, vật liệusấy, điều kiện môi trường, tác nhân sấy, cách bố trí vật liệu sấy… Vì vậy rấtkhó có thể dùng kết quả nghiên cứu lý thuyết để áp dụng cho một hệ thống sấy

cụ thể Nên khi muốn xác định chế độ sấy tối ưu một sản phẩm bằng bơm nhiệtphải tiến hành thiết kế hệ thống sấy sau đó xác định chế độ sấy tối ưu bằng cácphương pháp: dùng phương pháp mô phỏng hoặc dùng phương pháp quyhoạch thực nghiệm

Bảng 1.3: Tiêu hao năng lượng và SMER của một số VLS

[ o C]

T TNS ra [ o C]

TNS vào [ o C]

TNS ra [ o C]

Thời gian [h]

E [kW]

SME

R [kg/k Wh]

bơm nhiệt cũng đã được sử dụng trong các lĩnh vực như điều hoà không khí vàsấy Trong lĩnh vực sấy thì đã có những ứng dụng bước đầu trong sản xuất kẹo,nông sản

Từ những năm 1990 ở thế kỷ trước đã có các tác giả như Lê Chí Hiệp,Phạm Văn Tùy, Trần Đại Tiến, Trần Văn Vang nghiên cứu bơm nhiệt và cácứng dụng dùng để sấy và hút ẩm Trong đó lĩnh vực sử dụng bơm nhiệt để sấy

ở nhiệt độ thấp nông, lâm thủy sản được nhiều các tác giả quan tâm nghiên cứunhư Trần Đại Tiến (1996), Phạm Văn Tùy (1997), Lê Minh Nhật, Phạm NgọcĐồng (2009), Nguyễn Minh Hệ (2009)… Ngoài ra trong đề tài KC.0507/06của TS Đặng Xuân Hảo (2006-2008) cũng đã ứng dụng thành công

bơm nhiệt trong việc chiết suất các tinh dầu gia vị

Tuy nhiên nhìn chung các kết quả nghiên cứu còn rất nhỏ lẻ, tầm ứng dụng rấthạn hẹp, đa phần chỉ dừng ở các mô hình dùng nghiên cứu, thí nghiệm Ngoài

ra trong khá nhiều đề tài nghiên cứu đã được triển khai thành công trong lĩnhvực công nghệ sau thu hoạch, bơm nhiệt chỉ được xem như là công cụ để thựchiện một quy trình công nghệ, chứ không phải là đối tượng cần nghiên cứuhoàn thiện về mặt thiết bị cũng như mặt tiêu hao năng lượng và tối ưu đượcđộng học quá trình sấy Bên cạnh đó, nhiều chuyên gia cho rằng bơm nhiệtdùng để sấy là một công nghệ đơn giản đã được nghiên cứu lâu rồi không có gì

để phát triển Do đó hiện nay nhìn chung các ứng dụng của bơm nhiệt tronglĩnh vực sấy nông sản ở nhiệt độ thấp ở nước ta còn khá hạn chế, do giá thànhchi phí cho một đơn vị sản phẩm sấy còn cao so với các phương pháp sấy nóngtruyền thống và thực sự công nghệ phát triển bơm nhiệt cũng chưa được chútrọng và đầu tư thích đáng và chẳng có đột phá gì về phát triển ứng dụng côngnghệ

Thành công nhất trong việc nghiên cứu triển khai ứng dụng bơm nhiệt dùng đểsấy là các công trình nghiên cứu, chuyển giao của các tác giả Phạm Văn Tùy

và Nguyễn Nguyên An (20072011) Các tác giả đã đưa ra được quy trình thiết

1060 kW, và bước đầu thương mại hóa được các sản phẩm dạng này dùng đểsấy kẹo Jely, sấy rau thơm, hành, tảo xoắn , tuy thị trường và ứng dụng vẫncòn hẹp Đồng thời về mặt cấu trúc bơm nhiệt chỉ có một nhiệt độ sôi do đóchưa giảm được tiêu hao năng lượng, hệ thống điều khiển khá đơn giản khốngchế giám sát chế độ sấy không thật tốt…

Một hệ thống sấy theo nguyên lý bơm nhiệt nhiệt độ thấp kiểu môđun sấy kẹoJelly với năng suất 1100 kg/ngày Thông số không khí trong buồng sấy 22 

27o

C, độ ẩm 35  45% Sơ đồ nguyên lý của hệ thống này được biểu

diễn trên hình 1.5

MN - Máy nén BH - Dàn bốc hơi NT1 - Dàn ngưng ngoài NT2 - Dàn ngưng trong TL - Tiết lưu

Hình 1.5: Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt kiểu môđun

Hệ thống sấy lạnh kẹo Jelly thứ 2 năng suất 1400 kg/ngày cũng đã được thiết

kế lắp đặt vào đầu năm 1998

Một hệ thống máy hút ẩm hỗ trợ cho dây chuyền chế biến và hút ẩm củaCHLB Đức cải tạo từ máy điều hòa không khí cũ cho phân xưởng kẹo caramen

và hệ thống bơm nhiệt hút ẩm công suất lạnh 16.000 Btu/h cho xưởng kẹocứng cơ sở Hà Nội, Công ty Bánh kẹo Hải Hà đã được lắp đặt từ năm 1999

Qua thực tế sử dụng, thấy rằng ngoài ưu điểm rẻ tiền (giảm khoảng 50% vốn

NT2

phương án dùng máy hút ẩm, các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh này hoạt động

ổn định, liên tục và giảm chi phí bảo dưỡng Tuy vậy, nó còn có nhược điểm làcòn cồng kềnh, sử dụng nhiều quạt và động cơ xen kẽ, trong hệ thống nhiềubụi bột nên hay phải bảo dưỡng động cơ lại phải thực hiện trong không gian eohẹp, khó thao tác

Để khắc phục những nhược điểm này, nhóm tác giả đã tiếp tục nghiên cứu và

đã thiết kế chế tạo, thử nghiệm máy hút ẩm và sấy lạnh đa năng BK- BSH 1.4.Đây là hệ thống bơm nhiệt nguyên khối, có thể di chuyển được, phù hợp vớiquy mô sản xuất nhỏ (như các hộ kinh doanh cá thể), hoặc sấy thử nghiệm ởcác cơ sở nghiên cứu, giảng dạy, với chế độ sấy nhiệt độ 25  40oC, độ ẩm 15%

 40% Máy có dung tích buồng sấy 1m3, có thể sấy 15  20 kg nguyên liệu một

mẻ sấy và được điều khiển tự động hoàn toàn, công suất điện tiêu thụ 1,4 kW.Đây cũng là thiết bị nghiên cứu thực nghiệm của đồ án này

Rút kinh nghiệm từ mẫu máy nguyên khối BK- BSH 1.4, để đáp ứng yêu cầucủa sản xuất, nhóm tác giả đã thiết kế chế tạo máy sấy lạnh và hút ẩm đa năngcùng nguyên lý nhưng năng suất lớn hơn, là loại tổ hợp gọn mang thương hiệucủa trường Đại học Bách khoa Hà Nội, BK- BSH 18A để trang bị cho buồngsấy lạnh kẹo Jelly thứ 3 năng suất 800 kg/ngày Máy có dàn lạnh công suấtlạnh 40 kW, năng suất tách ẩm 23 kg/h khi không khí vào máy có nhiệt độ, độ

ẩm tương ứng là 27oC/40%, công suất điện tiêu thụ 18 kW, điều khiển và bảo

vệ tự động hoàn toàn Đây là loại máy sử dụng bơm nhiệt kiểu tổ hợp gọn, lầnđầu tiên được thiết kế, chế tạo và lắp đặt trong nước để thay thế công nghệ cũ,

có khả năng thích ứng được với nhiều vật liệu sấy khác nhau

So với công nghệ dùng các bơm nhiệt kiểu môđun thì BK- BSH 18A có thiết

bị xử lý không khí được chế tạo ở dạng tổ hợp gọn có thể được đặt ngoài nhà,trong nhà hay trong buồng sấy và có tốc độ không khí có thể thay đổi được đểphù hợp với yêu cầu sấy các vật liệu cụ thể Sau 1 năm hoạt động, BK-BSH18A đã thể hiện rõ các tính ưu việt của nó, được cơ sở sử dụng đánh giá rất tốt

xác, tiét kiệm năng lượng và gọn nhẹ hơn, các tác giả đã tiếp tục nghiên cứucải tiến BK- BSH 18A để thiết kế chế tạo BK- BSH 18B Thiết bị được thiết kếkiểu đứng cũng gọn hơn Bộ xử lý không khí cũng có thể đặt sát tường ngoàihoặc bên trong phòng sấy để tiết kiệm vật tư, cách nhiệt, Hình ảnh của BK-BSH 18A và BK- BSH 18B được thể hiện trong hình 1.6 và hình 1.7

Như vậy, việc sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp để hút ẩm và sấy lạnh tỏ

ra có nhiều ưu điểm và rất có khả năng ứng dụng rộng rãi trong điều kiện khíhậu nóng ẩm, phù hợp với thực tế Việt Nam, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹthuật đáng kể Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những sản phẩm cầngiữ trạng thái, màu, mùi, chất dinh dưỡng và không cho phép sấy ở nhiệt độcao, tốc độ gió lớn

Hình 1.6: Máy sấy lạnh và hút ẩm kiểu tổ hợp gọn BK- BSH 18A

Hình 1.7: Máy sấy lạnh và hút ẩm kiểu tổ hợp gọn BK- BSH 18B

Dưới đây là bảng tổng hợp về các công trình đã triển khai thành công có liênquan tới thiết kế chế tạo, phát triển ứng dụng bơm nhiệt trong lĩnh vực sấylạnh, bơm nhiệt trong thời gian qua có các công trình của GS Phạm Văn Tùy,

TS Nguyễn Nguyên An, TS Nguyễn Minh Hệ, ThS Vũ Huy Khuê…

Tiêu biểu là các công trình sau:

1

Thiết kế trang bị hệ thống bơm

nhiệt sấy lạnh kẹo Jelly 1100

GS Phạm Văn Tùy

12/1997 – 01/1998 01/1999 – 02/1999

11/1998 – 12/1998 02/2002 – 05/2002

3

Thiết kế trang bị tổ hợp gọn bơm

nhiệt sấy lạnh kẹo Jelly số

3 năng suất 800 kg/ngày

GS Phạm Văn Tùy, TS Nguyễn Nguyên An

4/2005 – 7/2005

- Về giải thưởng KHCN: 01 Giải thưởng Vifotec 2004 của GS Phạm Văn

về các quá trình và đặc tính của TNS cũng như các thông số liên quan nhằmhoàn thiện và nâng cao hiệu quả làm việc của hệ thống và chất lượng của sảnphẩm

Sấy lạnh bằng bơm nhiệt tiết kiệm năng lượng cao do sử dụng cả Q0 và

1.4.1 Đề tài nghiên cứu

Đề tài của luận văn: “Nghiên cứu xác định cấu trúc hợp lý của hệ thốngsấy lạnh để tăng khả năng tách ẩm của dàn lạnh và hiệu quả sấy khô của máysấy lạnh bơm nhiệt” góp phần đưa ra những dẫn chứng khoa học nhằm nângcao hiệu suất làm việc của máy sấy lạnh bơm nhiệt

1.4.2 Mục đích nghiên cứu của luận văn

Xác định cấu trúc hợp lý bơm nhiệt sấy lạnh để tăng cường hiệu quả quá trìnhsấy lạnh, trên cơ sở xác định quan hệ giữa năng suất tách ẩm của dàn lạnh vàhiệu quả quá trình sấy

1.4.3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết công nghệ sấy và ứng dụng bơm nhiệt để sấy lạnh,phương pháp đánh giá hiệu quả chính xác, khoa học của quá trình và hệ thốngsấy lạnh Nghiên cứu thực nghiệm từ đó xây dựng mô hình tính toán và tìm lờigiải tối ưu

1.4.4 Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn là rau bắp cải phục vụ bộ đội ởngoài biên giới, hải đảo

1.4.5 Phạm vi nghiên cứu

a Khả năng tách ẩm của dàn lạnh

Khả năng tách ẩm của dàn lạnh tăng nếu có nhiều ẩm từ không khíngưng đọng, đóng băng lại Việc tăng khả năng tách ẩm của dàn lạnh có thểđược điều chỉnh qua:

- Giảm nhiệt độ sôi của môi chất t0;

- Phá băng kịp thời và thời gian phá băng hợp lý;

- Dàn bay hơi có bước cánh hợp lý, dàn ống có đường kínhống to phù hợp;

- Ẩm tách ra không bị cuốn theo gió đi vào buồng sấy (khitốc độ gió qua dàn bay hơi lớn)

b Hiệu quả sấy khô của máy lạnh bơm nhiệt

Hiệu quả sấy khô của máy lạnh bơm nhiệt tăng nếu tốc độ gió trongbuồng sấy tăng, nhưng khi đó tốc độ gió qua dàn bay hơi cũng tăng dễ phábăng, tách ẩm ra khỏi bề mặt dàn và cuốn theo gió đi vào buồng sấy làm độ ẩmgió sấy tăng lên, giảm cường độ sấy

Để vẫn tăng được tốc độ gió qua buồng sấy mà không làm tăng tốc độ gió quadàn bay hơi có thể dùng giải pháp Bypass gió sấy qua dàn lạnh

Qua những phân tích trên đây, phạm vi nghiên cứu của luận văn là: Xácđịnh tỷ lệ Bypass hợp lý để tăng hiệu quả sấy của hệ thống và không làm giảmkhả năng tách ẩm của dàn lạnh

1.4.6 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng là kết hợp giữa lý thuyết và thựcnghiệm

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SẤY LẠNH

2.1 QUÁ TRÌNH SẤY VÀ PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP SẤY

2.1.1 Quá trình sấy

Quá trình sấy là quá trình chất lỏng hoặc hơi của nó mà chủ yếu là nước hoặchơi nước nhận năng lượng để dịch chuyển từ trong lòng VLS ra bề mặt và nhờtác nhân mang thải vào môi trường Quá trình sấy là quá trình truyền nhiệt -truyền chất xảy ra đồng thời Trong lòng VLS đó là quá trình dẫn nhiệt vàkhuyếch tán ẩm hỗn hợp Trao đổi nhiệt - ẩm giữa bề mặt VLS với môi trườnghay TNS là quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm đối lưu liên hợp

2.1.2 Đặc tính quá trình sấy lạnh

Khi sấy lạnh, nhiệt độ và độ ẩm không khí cuối quá trình sấy đều nhỏ hơncác giá trị tương ứng của môi trường quá trình làm việc của bơm nhiệt sấy lạnhxảy ra theo chu trình 1231 23’’12 là các quá trình xảy ra khi dùng tổ hợp máyhút ẩm chuyên dùng với máy lạnh Như vậy, với cùng mục đích tạo nên quátrình sấy 12 thì khi dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp, ta đã tạo ra quá trình làmlạnh 23 và gia nhiệt 31 thay cho quá trình khử ẩm 23’’ và làm lạnh 3’’1 màphải có cả máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh mới thực hiện được

Trong các quá trình này, quá trình làm lạnh làm khô không khí (2-3) ởdàn bốc hơi của bơm nhiệt có vai trò đặc biệt quan trọng quyết định hiệu quả

của toàn bộ quá trình 3-1 và 1-2 lần lượt là các quá trình gia nhiệt không khí ởdàn ngưng trong và quá trình sấy sản phẩm trong buồng sấy

Tâm điểm khảo sát là quá trình làm lạnh không khí 23 có thể được phântích và biểu diễn trên đồ thị hình 2.1 dưới đây:

Mặt khác, cũng phải nói thêm rằng, do có hiện tượng bypass và hỗn hợp khí trong dàn lạnh mà đường biểu diễn thực của 23 thực ra là đường cong lõm nhưng

có chung hai điểm 23 nên không làm thay đổi các kết quả tính với H, vì vậy đôi khi ta không quan tâm tới hìnhdáng của đường này.

2.1.3 Phân loại các phương pháp sấy

Thông thường hiện nay dựa vào trạng thái TNS hay cách tạo ra động lựcquá trình dịch chuyển nhiệt - ẩm, người ta phân ra thành hai phương pháp sấy,

đó là phương pháp sấy lạnh và phương pháp sấy nóng

a Hệ thống sấy đối lưu:

VLS nhận nhiệt đối lưu từ một dịch thể nóng, thường là không khí hoặckhói lò Đây là loại HTS phổ biến nhất trong phương pháp sấy nóng Trong hệ

SÊy b¶o qu¶n

H TS

t > 0°c

HTSth¨nghoa

HTSch©nkh«ng

M¸yhót Èm

vµ m¸yl¹ nh

B¬mnhiÖtnÐnh¬i

thống sấy đối lưu, người ta lại phân ra các loại: HTS buồng, HTS hầm, HTSthùng quay, HTS tháp, HTS khí động,…

b Hệ thống sấy tiếp xúc:

VLS tiếp xúc trực tiếp và nhận nhiệt từ một bề mặt nóng Như vậy, trongcác HTS tiếp xúc người ta tạo ra độ chênh phân áp suất nhờ tăng phân áp suấthơi nước từ bề mặt tiếp xúc với VLS Trong số này ta thường gặp

HTS lô, HTS tang,…

c Hệ thống sấy bức xạ:

VLS nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để ẩm dịch chuyển từ trong lòngVLS ra bề mặt và từ bề mặt khuyếch tán vào môi trường Rõ ràng, trong HTSbức xạ, độ chênh phân áp suất hơi nước giữa VLS và môi trường được tạo rachỉ bằng cách đốt nóng vật

d Các hệ thống sấy khác:

Ngoài ba HTS nói trên, trong các HTS nóng còn có các HTS dùng dòngđiện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường để đốt nóng vật Trong cácHTS loại này, khi VLS đặt trong một trường điện từ thì trong vật xuất hiện cácdòng điện và chính dòng điện này đốt nóng vật Như vậy, giống như các HTSbức xạ và HTS tiếp xúc, các HTS loại này cũng chỉ tạo ra độ chênh phân ápsuất giữa VLS và môi trường bằng cách đốt nóng vật Do kỹ thuật tạo ra trườngđiện tử cũng như tính kinh tế của nó nên các HTS này rất ít gặp trong thực tế

Chú ý rằng, trong các HTS bức xạ cũng như HTS dùng dòng điện caotần hoặc trường điện từ, độ chênh phân áp suất không chỉ trên bề mặt mà cảtrong lòng VLS cũng được tăng lên Do đó, hiệu ứng Luikov giữa dẫn nhiệt vàkhuyếch tán ẩm (chiều khuếch tán ẩm và chiều truyền nhiệt ngược nhau) cũngđược hạn chế [1]

Phương pháp sấy này có ưu điểm đơn giản, chi phí đầu tư ban đầukhông cao Tuy nhiên để tạo tác nhân sấy thường phải đốt trực tiếp nhiên liệuhóa thạch, nên hiệu suất không cao và phát thải khí nhà kính lớn Ngoài ra

đến chất lượng sản phẩm, dễ làm cho nguyên liệu bị chín và gây nên sự tạomàng cứng ở lớp bề ngoài cản trở tới sự chuyển động của ẩm từ bên trong rabên ngoài bề mặt vật liêu sấy, ví dụ: nhiệt độ sản phẩm trong quá trình sấy caohơn 60 0C thì protein bị biến tính, nếu trên 900C thì fructaza bắt đầu caramenhóa Các phản ứng tạo ra melanoidin và polyme cao phân tử có chứa N vàkhông chứa N dẫn tới vật liệu sấy có màu và mùi của đồ chín, ngoài ra một sốvitamin sẽ bị phân hủy Dòng nhiệt có hướng chuyển dịch từ ngoài bề mặtVLS vào tâm, ngược hướng với chiều chuyển dịch của ẩm từ tâm VLS rangoài, điều này làm giảm cường độ sấy

Nếu nhiệt độ cao hơn nữa thì nguyên liệu có thể bị cháy làm mất giá trịdinh dưỡng và mất giá trị cảm quan của sản phẩm Như vậy các phương phápsấy ở nhiệt độ cao có thể phá huỷ các chất hoạt tính sinh học như hóc môn,màu, mùi vị, men, vitamin, protêin và làm thay đổi chất lượng sản phẩm, tiêuhao năng lượng lớn, hiệu quả kinh tế thấp

2.1.3.2 Phương pháp sấy lạnh

Khác với phương pháp sấy nóng, trong phương pháp sấy lạnh, người ta

tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa VLS và TNS bằng cách giảm phân

áp suất trong TNS nhờ giảm lượng chứa ẩm Phương pháp sấy lạnh có thể phânthành hai loại HTS [1]:

* Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 0 0 C

a HTS thăng hoa:

Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi VLS trực tiếp từ trạng thái rắnbiến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa Để tạo ra quá trình thănghoa, VLS phải được làm lạnh dưới điểm ba thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu t

< 0 0C và áp suất TNS bao quanh vật p < 610 Pa Từ đó, VLS nhận được nhiệtlượng để ẩm từ trạng thái rắn thăng hoa thành thể khí và vào môi trường Nhưvậy, trong các HTS thăng hoa, phải tạo được chân không xung quanh VLS vàlàm lạnh vật xuống dưới 0 0C

Ưu điểm của HTS thăng hoa:

+ Phương pháp này gần như bảo toàn được chất lượng sinh, hoá học củasản phẩm bao gồm: màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính,…

Nhược điểm của HTS thăng hoa:

+ Chi phí đầu tư cao, phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh(để kết đông sản phẩm và làm ngưng kết hơi nước)

+ Hệ thống cồng kềnh nên vận hành phức tạp, chi phí vận hành và bảodưỡng lớn

+ Sấy thăng hoa thường được ứng dụng để sấy sản phẩm quý, dễ biếnchất do nhiệt như: máu, vắc xin,…

b HTS chân không:

Phương pháp sấy chân không là phương pháp tạo ra môi trường gần nhưchân không trong buồng sấy, nghĩa là nhiệt độ vật liệu t < 00C, áp suất TNSbao quanh vật p > 610 Pa Khi nhận được nhiệt lượng, các phần tử nước trongVLS ở thể rắn sẽ chuyển sang thể lỏng, sau đó mới chuyển sang thể hơi và đivào môi trường

Ưu điểm của HTS chân không:

+ Giữ được chất lượng sản phẩm, đảm bảo điều kiện vệ sinh

Nhược điểm của HTS chân không:

+ Hệ thống có chi phí đầu tư lớn, vận hành phức tạp

Phương pháp sấy chân không thường chỉ sấy các loại VLS là các sảnphẩm quý, dễ biến chất Do tính phức tạp và không kinh tế nên các HTS thănghoa, HTS chân không chỉ dùng để sấy những VLS quí hiếm, không chịu đượcnhiệt độ cao Vì vậy, các HTS này là những HTS chuyên dùng, không phổbiến

* Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 0 0 C

a Phương pháp sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hợp với máy lạnh:

Phương pháp này sử dụng máy hút ẩm kết hợp với máy lạnh, để tạo ra mộtmôi trường sấy có nhiệt độ khá thấp, thường có thể bằng hoặc bé hơn nhiệt độmôi trường từ 5 ÷ 15 0C

Ưu điểm:

+ Năng suất hút ẩm của phương pháp này khá lớn;

+ Khả năng giữ chất lượng, hàm lượng dinh dưỡng sản phẩm cũng khátốt (phụ thuộc vào nhiệt độ sấy)

+ Điện năng tiêu tốn lớn do cần chạy máy lạnh và đốt nóng dây điện trở

để hoàn nguyên tác nhân sấy;

+ Lắp đặt phức tạp, khó điều chỉnh các thông số để phù hợp với côngnghệ;

+ Trong môi trường có bụi, cần dừng máy để vệ sinh chất hấp phụ

b Phương pháp sấy dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp:

Trong phương pháp này, người ta chỉ dùng một hệ thống bơm nhiệt đểtạo ra môi trường sấy Nhiệt độ môi trường sấy có thể điều chỉnh trong giới hạnkhá rộng từ nhiệt độ xấp xỉ môi trường đến nhiệt độ âm, tùy thuộc yêu cầu củaVLS Khác với các thiết bị nhiệt lạnh khác, khi sử dụng bơm nhiệt để sấy khô

và hút ẩm thì cả dàn nóng và dàn lạnh đều được sử dụng hữu ích nên nănglượng tiêu thụ ở đây có thể được tận dụng đến mức cao nhất mà nhiệt độ không

khí lại có thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ môi trường hoặc thấp hơn [1]

Ưu điểm:

+ Khả năng giữ màu sắc, mùi vị và vitamin đều tốt;

+ Tiết kiệm năng lượng nhờ sử dụng cả năng lượng dàn nóng và dànlạnh, hiệu quả sử dụng nhiệt cao;

+ Bảo vệ môi trường, tuổi thọ thiết bị cao, vận hành an toàn;

+ Có khả năng điều chỉnh nhiệt độ và độ ẩm TNS tùy thuộc vào yêu cầu

và khả năng chịu nhiệt của từng loại sản phẩm nhờ thay đổi công suất nhiệt củadàn ngưng trong và công suất máy lạnh;

+ Thời gian sấy thường khá lâu do không có thế sấy lớn như sấy nóng,

độ chênh phân áp suất hơi nước giữa VLS và TNS không lớn, đặc biệt ở giaiđoạn VLS có hàm lượng ẩm nhỏ (gần khô kiệt);

+ Phải có giải pháp xả băng sau một thời gian làm việc

2.1.4 Các kết cấu cơ bản của hệ thống sấy bằng bơm nhiệt

Nguyên lý làm việc và các bộ phận của bơm nhiệt hoàn toàn giống như máylạnh Chúng chỉ khác nhau về khoảng nhiệt độ làm việc và mục đích sử dụng.Bơm nhiệt làm việc ở khoảng nhiệt độ cao hơn với mục đích để sấy, sưởi ấm,đốt nóng

Trong kỹ thuật sấy, người ta sử dụng bơm nhiệt để sấy nóng và sấy lạnh Khácvới sấy nóng, nếu như người ta chỉ sử dụng công suất nhiệt Qk của dàn ngưngthì trong sấy lạnh người ta còn sử dụng cả công suất lạnh Q0 của dàn lạnh Vìvậy, sử dụng bơm nhiệt sấy lạnh cho hiệu quả kinh tế cao hơn do chỉ mất mộtcông suất điện N ta thu được cả công suất lạnh Q0 và công suất nhiệt Qk Sauđây là một số kết cấu của hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh được sử dụng trong thựctế:

- Không có bypass qua dàn ngưng :

Hình 2.2: Sơ đồ hệ thống sấy lạnh

Ưu điểm: Có thể điều chỉnh được nhiệt độ, độ ẩm tác nhân sấy tùy theo vật liệusấy bằng cách cấp thêm hoặc giảm bớt lượng môi chất qua dàn ngưng tụ ngoài.Nhược điểm: Phải có van điện từ ba ngả -

Có bypass qua dàn bay hơi

Hình 2.3: Sơ đồ thiết bị sấy có bypass qua dàn bay hơi

- - - chu trình của không khí

_ chu trình của môi chất

Ưu điểm : có thể điều chỉnh tốc độ gió qua buồng sấy để cải thiện thời gian sấy

mà vẫn đảm bảo khả năng tách ẩm của dàn lạnh

- Kết cấu có sử dụng thêm thiết bị đốt nóng bằng dây điện trở:

Với sơ đồ này cần bố trí thêm thanh điện trở trong buồng sấy để nâng caonhiệt độ buồng sấy khi cần

Ưu điểm: Có thể nâng nhiệt độ tác nhân sấy lên nhanh hơn nhiều khả năng củadàn ngưng, nhiệt độ này tùy thuộc vào công suất của bộ sưởi điện trở

Nhược điểm: Sử dụng dây điện trở để đốt nóng nên không tiết kiệm nănglượng

2.2 SO SÁNH PHƯƠNG PHÁP SẤY LẠNH DÙNG BƠM NHIỆT NHIỆT ĐỘ THẤP VỚI CÁC PHƯƠNG PHÁP SẤY KHÁC

Trong [3], các loại rau củ thực phẩm và dược liệu như cà rốt, củ cải,hành lá, dứa, mít, nhãn, măng cụt, hành tây, hỗn hợp dịch ép gừng và bộtavicel, đã được sấy thử nghiệm với khoảng thông số nhiệt độ sấy t = 25 ÷ 40

0C, tốc độ gió ω = 2,2 ÷ 4 m/s Màu sắc, mùi vị, hàm lượng chất dinh dưỡng vàtrạng thái vật sấy được bảo toàn hơn hẳn các công nghệ sấy nóng truyền thống,ngay cả khi so sánh với kỹ thuật sấy hiện đại bằng tia hồng ngoại Bảng 1.1 sosánh các phương pháp sấy khác với phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệtnhiệt độ thấp dựa theo kết quả phân tích của Viện Công nghệ Thực phẩm, SởCông nghiệp Hà Nội

Bảng 2.1: Đánh giá so sánh chất lượng sản phẩm sấy bằng các phương pháp

khác nhau với phương pháp sấy bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp

8 Bảo vệ môi trường Thường kém hơn Như nhau Kém hơn

9 Phạm vi ứng dụng Rộng hơn Hẹp hơn Hẹp hơn

Từ kết quả của Viện Công nghệ Thực phẩm [3], có thể rút ra một số kếtluận:

a 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 chiphí đầu tư ban đầu, giảm tiêu hao điện năng Do vậy, với điều kiện của ViệtNam 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 dụngmáy hút ẩm chuyên dụng kết hợp với máy lạnh không đạt hiệu quả, đã và đangchuyển sang dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp, điển hình là công ty bánh kẹo Hải

Hà

b So với sấy thăng hoa và sấy chân không

Chất lượng sản phẩm của hai phương pháp sấy này thường tốt hơn sấylạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp nhưng các chỉ tiêu quan trọng 2 và 5 lạikém hơn nên chỉ nên áp dụng hai phương pháp này khi yêu cầu về chất lượngsản phẩm rất cao (chỉ tiêu 1, 7), còn lại nên sử dụng phương pháp sấy lạnhbằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp

c 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 liệucòn lại, nếu VLS nhạy cảm với nhiệt, dễ mất màu, mùi, chất dinh dưỡng, giáthành sản phẩm (chỉ tiêu 2) được thị trường chấp nhận và thời gian sấy (chỉtiêu 3) không đòi hỏi phải nhanh thì nên sấy lạnh bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp

2.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 2

Phương pháp sấy lạnh là một công nghệ rất quan trọng trong nền kinh tế

cảm với nhiệt độ) Ngoài ra, sấy lạnh còn có nhiều ưu điểm kỹ thuật khác như:hút ẩm nhưng không làm tăng nhiệt độ môi trường như máy hút ẩm thôngthường

Công nghệ sấy lạnh có thể xây dựng được từng quy trình công nghệ sấyhợp lý đối với từng loại rau, củ, quả Sau khi sấy, nông sản, thực phẩm giữđược nguyên màu sắc, mùi vị, thành phần chất dinh dưỡng thất thoát khôngđáng kể (khoảng 5%), đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm

Tính mới của công nghệ sấy lạnh là quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt

độ thấp, tạo môi trường nhiệt độ cùng chiều với môi trường độ ẩm để tăngcường độ sấy

CHƯƠNG 3: BƠM NHIỆT VÀ PHƯƠNG PHÁP

SẤY BẰNG BƠM NHIỆT 3.1 KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA BƠM NHIỆT

3.1.1 Khái niệm bơm nhiệt

Bơm nhiệt là thiết bị dùng để đưa một dòng nhiệt từ nguồn có nhiệt độ thấpđến nguồn có nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt Để duy trì bơmnhiệt hoạt động cần phải tiêu tốn một dòng năng lượng khác như nhiệt năng,điện năng Máy lạnh và bơm nhiệt có cùng nguyên lý hoạt động Các thiết bịcủa chúng là giống nhau Người ta chỉ phân biệt máy lạnh và bơm nhiệt ở mụcđích sử dụng chúng mà thôi Ở máy lạnh người ta sử dụng lạnh ở thiết bị bốchơi còn bơm nhiệt thì sử dụng nhiệt ở thiết bị ngưng tụ Do yêu cầu sử dụngnhiệt nên thường bơm nhiệt hoạt động ở cấp nhiệt độ cao hơn (hình 3.1)

a) Máy lạnh T 0 < T u ; T k = T u b) Bơm nhiệt T k > T u ; T k > T 0

c) Bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh T 0 < T u ; T k > T u

T 0 – Nhiệt độ bốc hơi ; T k – nhiệt độ ngưng tụ;

T u – Nhiệt độ môi trường ; C N – Chu trình Cacnot ngược chiều

Hình 3.1: Đồ thị thể hiện các cấp độ sử dụng nhiệt máy lạnh

3.1.2 Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt

Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt giống như là máy lạnh tức là bơm nhiệtcũng làm việc theo chu trình ngược chiều với các quá trình chính sau (hình3.2)

1-2 : Quá trình nén hơi môi chất từ áp suất thấp, nhiệt độ thấp lên áp suất cao, nhiệt độ cao diễn ra trong máy nén hơi Quá trình nén ở đây là đoạn

Hình 3.2: Nguyên lý làm việc của máy lạnh nén hơi

Mục đích sử dụng của bơm nhiệt là nguồn nhiệt ở thiết bị ngưng tụ

Năng suất nhiệt của bơm nhiệt được xác định từ phương trình cân bằng nhiệt ởmáy lạnh

o k

q k  q o

 k             2 1

l

3.2 BƠM NHIỆT SẤY VÀ HÚT ẨM

Năm 1852 Thomson sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên trên thế giới [20] Songsong với kỹ thuật lạnh, bơm nhiệt có bước phát triển riêng của mình Nhữngthành công lớn nhất của bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940 khi hàng loạtbơm nhiệt công suất lớn được lắp đặt thành công ở nhiều nước Châu Âu đểsưởi ấm, đun nước nóng và điều hoà không khí

Từ khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỷ 70, bơm nhiệt lạibước vào một bước tiến nhảy vọt mới Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cỡ chocác ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãitrên thị trường

Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hoàkhông khí, sấy, hút ẩm, đun nước

Theo các nguyên lý làm việc khác nhau người ta đã chế tạo được cácloại bơm nhiệt như bơm nhiệt nén hơi, bơm nhiệt nén khí, bơm nhiệt hấp thụ,bơm nhiệt nhiệt điện Trong đó bơm nhiệt nén hơi được sử dụng rộng rãi và cóhiệu quả kinh tế to lớn trong hầu hết các ngành công, nông, ngư nghiệp

Bơm nhiệt hấp thụ cũng được chú ý sử dụng và ngoài nguồn nóng qk người tacòn sử dụng được cả nguồn nóng qA Ngoài 4 loại bơm nhiệt kể trên người tacòn ghép nối lại với nhau nhằm có được những hiệu quả nhất định Ví dụ bơmnhiệt hấp thụ- nén hơi nhằm mục đích tăng nhiệt độ ngưng tụ, qua đó tăngnhiệt độ chất tải nhiệt Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt hấp thụ- nén hơichủ yếu như máy lạnh hấp thụ nhưng giữa bình sinh hơi và dàn ngưng người talắp thêm một máy nén, hút hơi từ bình sinh hơi và nén vào dàn ngưng Áp suấtngưng tụ cao nên dẫn tới nhiệt độ ngưng tụ tăng theo và hệ số nhiệt của nó tănglên đáng kể

Bơm nhiệt có thể được ứng dụng ở tất cả các cơ sở có nhu cầu năng lượng ởnhiệt độ thấp khoảng 40  80 o

C hoặc có thể cao đến 115  120 oC Nếu nhưnhu cầu về nóng và lạnh ăn khớp nhau thì hiệu quả kinh tế do bơm nhiệt đemlại càng lớn

Hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt biểu hiện qua hệ số bơm nhiệt  Hệ số bơmnhiệt  phụ thuộc rất nhiều vào hiệu nhiệt độ của dàn ngưng và dàn bay hơi Ngoài ra, để bơm nhiệt đạt hiệu quả cao thì nhu cầu về nóng và lạnh phải liêntục và ổn định để thời gian hoàn vốn của thiết bị là thấp nhất Nói chung, bơmnhiệt có thể được ứng dụng trong các ngành kinh tế sử dụng các nguồn nhiệtnhư:

- 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 côngcộng như y tế, văn hoá, thể thao

Sau đây xin giới thiệu một số tổ hợp bơm nhiệt với những ứng dụng cụthể:

3.2.1 Ứng dụng của bơm nhiệt để hút ẩm

Bơm nhiệt hút ẩm đơn giản được mô tả trên hình 3.3 [20]

Hình 3.3: Bơm nhiệt hút ẩm đơn giản

Bơm nhiệt hút ẩm thực chất là một máy lạnh được bố trí đặc biệt để làm nhiệm

vụ khử ẩm trong không khí Bơm nhiệt hút ẩm gồm máy nén, van tiết lưu, dànngưng tụ và dàn bay hơi Đáy dưới và nắp trên được bọc kín để không khí chỉ

có thể đi theo một hướng từ phía dàn bốc hơi ra phía dàn ngưng Không khíđược hút qua bơm nhiệt nhờ quạt hướng trục 5 Không khí trong phòng đầutiên đi qua dàn bay hơi với trạng thái ban đầu ở điểm A có độ ẩm tương đối 1

và nhiệt độ t1 Khi vào dàn bốc hơi, nhiệt độ giảm xuống, độ ẩm tương đốităng lên đến trạng thái bão hoà Một phần ẩm ngưng tụ lại chảy xuống khaynước bên dưới Không khí sau khi ra khỏi dàn bốc hơi ở trạng thái B với  =100% Sau đó không khí được đi qua dàn ngưng tụ, nhận nhiệt và nhiệt độ tănglên t2 , độ ẩm tương đối giảm xuống 2 < 1 (hình 3.4)