Ngiên cứu xác định cấu trúc hợp lý của hệ thống sấy lạnh để tăng khả năng tách ẩm của dàn lạnh và hiệu quả sấy khô của máy sấy lạnh bơm nhiệt

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 hiệu quả sấy nhờ giảm d, φ của dàn lạnh

MỤC LỤC

Lời cảm ơn - i -

Lời cam đoan - ii -

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

Danh mục các bảng - v -

Danh mục các hình vẽ, đồ thị - vi -

MỞ ĐẦU - 4 -

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BƠM NHIỆT SẤY LẠNH - 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 - 14 -

1.3 Xác định đề tài - 19 -

1.3.1 Đề tài nghiên cứu - 19 -

1.3.2 Mục đích nghiên cứu của luận văn - 19 -

1.3.3 Nội dung nghiên cứu - 20 -

1.3.4 Đối tượng nghiên cứu - 20 -

1.3.5 Phạm vi nghiên cứu

1.3.6 Phương pháp nghiên cứu

- 20 - - 21 - 1.4 Quá trình sấy và phân loại các phương pháp sấy - 21 -

1.4.1 Quá trình sấy - 21 -

1.4.2 Đặc tính quá trình sấy lạnh - 21 -

1.4.3 Phân loại các phương pháp sấy - 22 -

1.4.4 Các kết cấu cơ bản của hệ thống sấy bằng bơm nhiệt - 28 -

1.5 So sánh phương pháp sấy lạnh dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp với các phương pháp sấy khác - 30 -

1.6 Bơm nhiệt - 32 -

1.6.1 Khái niệm bơm nhiệt - 32 -

1.6.2 Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt

1.6.3 Bơm nhiệt sấy và hút ẩm

- 32 - - 35 - 1.7 Kết luận chương 1 - 43 -

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ BƠM NHIỆT SẤY LẠNH - 44 -

2.1 Phương pháp năng lượng nghiên cứu các quá trình nhiệt - lạnh - 45 -

2.1.1 Đại cương về năng lượng - 45 -

2.1.2 Phương pháp năng lượng - 49 -

2.2 Phương pháp entropy - 50 -

2.2.1 Khái niệm về entropy - 50 -

2.2.2 Định luật nhiệt động thứ hai - 51 -

2.2.3 Phương pháp entropy - 53 -

2.3 Phương pháp exergy - 53 -

2.3.1 Khái niệm về exergy - 53 -

2.3.2 Phương pháp exergy - 54 -

2.4 Công thức tính toán và phương trình cân bằng exergy - 55 -

2.4.1 Công thức tính toán Exergy - 55 -

2.4.2 Phương trình cân bằng Exergy - 58 -

2.5 Thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng - exergy trong hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh - 61 -

2.6 Xây dựng chương trình tính toán hiệu quả làm việc hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh - 64 -

2.6.1 Giới thiệu về phần mềm EES - 64 -

2.6.2 Chương trình tính toán hiệu quả làm việc hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh - 67 -

2.7 Kết luận chương 2 - 68 -

CHƯƠNG 3: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA HỆ THỐNG SẤY LẠNH BƠM NHIỆT - 69 -

3.1 Thiết bị bơm nhiệt sấy lạnh BK-BSH 1.4 - 69 -

3.1.1 Một số thông số của thiết bị - 70 -

3.1.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điện - 71 -

3.1.3 Các chức năng của BK-BSH 1.4 - 74 -

3.2 Phương pháp tiến hành thí nghiệm - 74 -

3.2.1 Công tác chuẩn bị - 74 -

3.2.2 Phương pháp đo đạc và tiến hành thí nghiệm - 76 -

3.3 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 - 79 -

3.3.1 Xử lý kết quả thí nghiệm - 79 -

3.3.2 Đánh giá ảnh hưởng của các thông số quá trình đến hiệu quả

3.4 Kết luận chương 3 - 89 -

CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG PHƯƠNG TRÌNH HỒI QUY CHẾ ĐỘ SẤY BẮP CẢI - 90 -

4.1 Phân tích lựa chọn các thông số chế độ sấy - 90 -

4.1.1 Nhiệt độ TNS - 90 -

4.1.2 Nhiệt độ bay hơi của dàn lạnh - 90 -

4.1.3 Chế độ quạt khi xả băng bám trên dàn lạnh - 91 -

4.1.4 Thời gian máy nghỉ xả băng - 91 -

4.1.5 Tỷ lệ Bypass qua dàn lạnh - 92 -

4.1.6 Tốc độ TNS - 92 -

4.1.7 Khối lượng vật liệu sấy một mẻ - 93 -

4.1.8 Thời gian máy làm việc trong một chu kỳ - 94 -

4.2 Hàm mục tiêu và xác định miền khảo sát của các thông số - 94 -

4.2.1 Hàm mục tiêu của đối tượng nghiên cứu - 94 -

4.2.2 Xác định miền khảo sát của các thông số - 95 -

4.3 Xây dựng mô hình giải tích cho đối tượng nghiên cứu - 96 -

4.3.1 Đặt bài toán - 96 -

4.3.2 Phương pháp quy hoạch trực giao - 98 -

4.4 Xây dựng phương trình hồi quy - 99 -

4.5 Kết luận chương 4 -110-

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT

5.1 Kết luận

5.2 Đề xuất mở rộng phạm vi nghiên cứu

-111- -111- -112- TÀI LIỆU THAM KHẢO -114-

PHỤ LỤC -118-

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 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

Trong các quá trình chế biến, bảo quản sau thu hoạch, ứng dụng các

công nghệ sấy nông sản nhằm kéo dài thời gian bảo quản quản và giữ được

phần nào chất lượng ban đầu của sản phẩm rất phổ biến với ưu điểm chính là

có chi phí 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

hữu hiệu Phát triển sản phẩm sấy khô góp phần giải quyết vấn đề thời vụ của

nguyên liệu rau quả, tránh dẫn tới mất mát sau thu hoạch, nhờ đó mà đem lại

hiệu 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

thời gian gần đây rất được ưa chuộng vì nó có ưu điểm bảo tồn được các

vitamin và các hợp chất hữu cơ có ích của sản phẩm tươi cũng như các hình

thức về mặt thương phẩm như màu sắc, hình thức tốt hơn các phương pháp

sấy nóng và sấy bằng hồng ngoại, dòng điện cao tần Sấy lạnh được ứng dụng

khá nhiều trong thực 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 bị nhiệt lạnh tiết kiệm năng lượng nhất

Công nghệ sấy lạnh kết hợp bơm nhiệt (sấy lạnh bằng bơm nhiệt) là

một trong những công nghệ sấy đang được nhiều nước trên thế giới nói chung

và Việt Nam nói riêng quan tâm nghiên cứu, phát triển Sấy lạnh bằng bơm

nhiệt có nhiều ưu điểm như: quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độ thấp,

hiệu quả sử dụng 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 sấy thu 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 hiệu quả 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

hiệu quả sấy khô của máy sấy lạnh bơm nhiệt

Việc xác định hiệu quả làm việc của một hệ thống nhiệt - lạnh là một vấn

đề phức tạp vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố Vì vậy, những kết quả đạt

được của luận văn này chỉ là những kết quả bước đầu và cần được tiếp tục

nghiên cứu mở rộng

Do bản thân còn nhiều hạn chế về mặt kiến thức cũng như thời gian hoàn

thành, vì thế luận văn chắc chắn không tránh khỏi những sai sót Em rất mong

được sự giúp đỡ và góp ý của các Thầy, Cô và các bạn học viên để nội dung

của bản luận văn được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn.!

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BƠM NHIỆT SẤY LẠNH

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 để

sấy 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 vào

nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí đưa vào sấy Hàm lượng ẩm cân

bằng 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 vận hành, quản lý an toàn một hệ thống sấy ngũ cốc Hình ảnh về một

buồng sấy được thể hiện ở hình 1.1

Ngày nay ở các nước tiến tiến đã sử dụng bơm nhiệt độ thấp để sấy

các sản phẩm 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, các

chất 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 năng

Hình 1.1: Hình ảnh buồng sấy ngũ cốc

lượng bé, độ ẩm tương đối và nhiệt độ TNS thấp đồng thời các nghiên cứu đã

chỉ ra rằng chất lượng màu sắc và mùi vị của nông sản sấy bằng bơm nhiệt tốt

hơn nhiều so với sấy nóng

Xoài là một sản phẩm khá nhạy cảm với nhiệt độ, có nhiều chất dinh

dưỡng như là Vitamin A và C, mùi vị xoài cũng rất đặc biệt Trong [26] tác

giả Macio 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

nhằm đánh giá sự ảnh hưởng của tốc độ không khí và chiều dày lát tới hệ số

khuyếch tán ẩm DL bằng cách xây dựng hàm hồi quy biểu diển mối quan hệ

của DL với chiều dày lát cắt và tốc độ gió TNS Khoảng thông số thí nghiệm:

chiều dày lát 2b = 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 Tác

giả 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 cũng

như mức độ ảnh hưởng của chúng đến hệ số khuyếch tán DL Ở đây, ảnh

hưởng của tốc độ gió TNS là lớn nhất, sau đó đến chiều dày của VLS Tuy

nhiên, 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

Điều này cũng được chính các tác giả khẳng định trong nghiên cứu của mình

Do vậy, 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 lá

cây 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

trong buồng 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 tục kiểu băng chuyền Thời gian sấy tương ứng ở mỗi phương thức

theo mẻ và liên tục là 4,5 h và 4 h Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bằng bơm

nhiệt được thể hiện trên hình 1.2

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

Đường áp suất cao Đường áp suất thấp , Nhiệt độ bầu ướt, khô

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 đồ

nguyên 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

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

Tổng chi phí này bao gồm: chi phí của buồng sấy, máy nén, dàn bay hơi, quạt,

bảo dưỡng và chi phí năng lượng Một số giả thiết được các tác giả đặt ra cho

quá trình 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

nhỏ hơn 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

ẩm của sản phẩm thường nhỏ hơn ở các khay cuối

- Tổng thời gian vận hành của hệ thống không lớn hơn 41h (trong đó,

6h chuẩn 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 thời

gian 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

trung bình 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

hệ thống ma, tức là:

Các thông số nói trên thay đổi trong khoảng sau:

45 0C ≤ Tdi ≤ 55 0C

40 kg/h ≤ ma ≤ 2000 kg/h

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, trong đó: chi phí thiết bị: 4,31 Baht/kg, chi phí bảo dưỡng: 0,92

Baht/kg, chi phí năng lượng 12,02 Baht/kg Công suất điện của máy nén là

1,59 kW, công suất 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

= 30,88 kg/h.kg sản phẩm khô Tổng chi phí tối ưu hằng năm là 12,72

Baht/kg, trong đó: chi phí thiết bị: 2,99 Baht/kg, chi phí bảo dưỡng: 0,64

Baht/kg, chi phí năng lượng 9,09 Baht/kg Công suất điện của máy nén Wcomp

= 1,64 kW, công suất 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 là R22

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

hệ thống 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

trình sấy rau quả sử dụng bơm nhiệt ở Thái Lan, cũng là một nước nhiệt đới

có khí hậu nóng ẩm rất giống với nước ta Điều này một lần nữa chứng tỏ

những ưu việt của bơm nhiệt trong việc sấy các nông sản thực phẩm ở các

nước nhiệt đới

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

hay dùng 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 thu được sản phẩm có chất lượng cao Các tác giả đã tiến hành nghiên cứu

chế độ sấy 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

giả cũng đã tiến hành nghiên cứu sấy các loại cỏ linh lăng, bạc hà, ngải cứu,

bồ công anh, cà rốt và cả sâm… Với các thông số ban đầu về vật liệu, chế độ

sấy được trình bày trong bảng 1.2 Dễ thấy rằng đây là các sản phẩm nhạy

cảm với nhiệt độ Các nghiên cứu tập trung xem xét giá trị SMER và mức độ

tiêu hao năng lượng, kết quả được trình bày trong bảng 1.3 Giá trị SMER

nằm trong khoảng 0,06  0,61, sâm có giá trị SMER nhỏ nhất (0,06) và cà rốt

có giá trị lớn nhất (0,6) Dựa vào tiêu hao năng lượng các tác giả cũng đã kết

luận viêc sấy bằng bơm nhiệt đã tiết kiệm 22% năng lượng và 65% thời gian

so với việc sấy bằng điện trở ở cùng nhiệt độ

Tuy nhiên các tác giả mới chỉ dừng lại ở mức độ khảo sát khẳ năng sấy

của vật liệu nhất là các loại thảo mộc khi dùng bơm nhiệt mà chưa đi sâu vào

được bản chất 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

TT Vật liệu

T TNS vào [ o C]

Hàm lƣợng

ẩm ban đầu [%]

Hàm lƣợng

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

nghiên cứu đều khẳng định viêc áp dụng bơm nhiệt vào hệ thống sấy là hiệu

quả về chất lượng sản phẩm và sử dụng năng lượng

- Các sản phẩm được sấy bằng bơm nhiệt đều là các sản phẩm có tính

nhạy cảm với nhiệt độ cao

- Chế độ sấy tối ưu là tổ hợp của rất nhiều yếu tố: thiết bị sấy, vật liệu

sấy, điều kiện môi trường, tác nhân sấy, cách bố trí vật liệu sấy… Vì vậy rất

khó 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

nhiệt phải tiến hành thiết kế hệ thống sấy sau đó xác định chế độ sấy tối ưu

bằng các phương pháp: dùng phương pháp mô phỏng hoặc dùng phương pháp

quy hoạch thực nghiệm

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

TT Vật liệu T TNS vào

[ o C]

T TNS ra [ o C]

E [kW]

SME

R [kg/k Wh]

1.2 TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC LIÊN QUAN ĐẾN LĨNH

VỰC CỦA LUẬN VĂN

Việt Nam là một nước đang phát triển nên ứng dụng của bơm nhiệt

trong công nghiệp và trong dân dụng vẫn còn hạn chế Trong những năm gần

đây thì bơm nhiệt cũng đã được sử dụng trong các lĩnh vực như điều hoà

không khí và sấy 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 các

ứng 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

cứu như Trần Đại Tiến (1996), Phạm Văn Tùy (1997), Lê Minh Nhật, Phạm

Ngọc Đồng (2009), Nguyễn Minh Hệ (2009)… Ngoài ra trong đề tài

KC.05-07/06 của 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 rất hạn 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 lĩnh vực công nghệ sau thu hoạch, bơm nhiệt chỉ được xem như là

công cụ để thực hiện một quy trình công nghệ, chứ không phải là đối tượng

cần nghiên cứu hoàn thiện về mặt thiết bị cũng như mặt tiêu hao năng lượng

và tối ưu được động học quá trình sấy Bên cạnh đó, nhiều chuyên gia cho

rằng bơm nhiệt dùng 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 trong lĩnh vực sấy nông sản ở nhiệt độ thấp ở nước ta còn khá

hạn chế, do giá thành chi phí cho một đơn vị sản phẩm sấy còn cao so với các

phương pháp sấy nóng truyền thống và thực sự công nghệ phát triển bơm

nhiệt cũng chưa được chú trọng và đầu tư thích đáng và chẳng có đột phá gì

về phát triển ứng dụng công nghệ

Thành công nhất trong việc nghiên cứu triển khai ứng dụng bơm nhiệt

dùng để sấy 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 kế, lắp ráp, chế tạo các hệ thống bơm nhiệt công nghiệp có

năng suất nhiệt từ 1060 kW, và bước đầu thương mại hóa được các sản

phẩm dạng này dùng để sấy kẹo Jely, sấy rau thơm, hành, tảo xoắn , tuy thị

trường và ứng dụng vẫn còn hẹp Đồng thời về mặt cấu trúc bơm nhiệt chỉ có

một nhiệt độ sôi do đó chưa giảm được tiêu hao năng lượng, hệ thống điều

khiển khá đơn giản khống chế giám sát chế độ sấy không thật tốt…

Một hệ thống sấy theo nguyên lý bơm nhiệt nhiệt độ thấp kiểu môđun

sấy kẹo Jelly với năng suất 1100 kg/ngày Thông số không khí trong buồng

sấy 22  27oC, 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

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

của CHLB 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 kẹo cứng 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 đầu tư) và tiết kiệm năng lượng (điện năng tiêu thụ giảm gần 50%)

so với 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 là còn cồng kềnh, sử dụng nhiều quạt và động cơ xen kẽ, trong hệ thống

nhiều bụi bột nên hay phải bảo dưỡng động cơ lại phải thực hiện trong không

gian eo hẹp, 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-

NT2

BSH 1.4 Đây là hệ thống bơm nhiệt nguyên khối, có thể di chuyển được, phù

hợp với quy mô sản xuất nhỏ (như các hộ kinh doanh cá thể), hoặc sấy thử

nghiệm ở các 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 cầu của sản xuất, nhóm tác giả đã thiết kế chế tạo máy sấy lạnh và hút ẩm

đa năng cùng nguyên lý nhưng năng suất lớn hơn, là loại tổ hợp gọn mang

thương hiệu của trường Đại học Bách khoa Hà Nội, BK- BSH 18A để trang bị

cho buồng sấy lạnh kẹo Jelly thứ 3 năng suất 800 kg/ngày Máy có dàn lạnh

công suất lạnh 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, lần đầu 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 để phù hợp với yêu cầu sấy các vật liệu cụ thể Sau 1 năm hoạt

động, BK-BSH 18A đã thể hiện rõ các tính ưu việt của nó, được cơ sở sử

dụng đánh giá rất tốt Tuy nhiên, nhằm làm cho hệ thống có thể được điều

khiển nhanh nhạy, chính xác, tiét kiệm năng lượng và gọn nhẹ hơn, các tác

giả đã tiếp tục nghiên cứu cải tiến BK- BSH 18A để thiết kế chế tạo BK- BSH

18B Thiết bị được thiết kế kiểu đứng cũng gọn hơn Bộ xử lý không khí cũng

có thể đặt sát tường ngoài hoặc 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 khí

hậu nóng ẩm, phù hợp với thực tế Việt Nam, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ

thuật đáng kể Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những sản phẩm cần

giữ trạng thái, màu, mùi, chất dinh dưỡng và không cho phép sấy ở nhiệt độ

cao, 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 liên quan tới thiết kế chế tạo, phát triển ứng dụng bơm nhiệt trong lĩnh vực

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

Tiêu biểu là các công trình sau:

(bắt đầu - kết thúc)

1

Thiết kế trang bị hệ thống bơm

nhiệt sấy lạnh kẹo Jelly 1100

kg/ngày và 1400 kg/ngày

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

1.3.1 Đề tài nghiên cứu

Đề tài của luận văn: “Nghiên cứu xác định cấu trúc hợp lý của hệ thống

sấy lạnh để tăng khả năng tách ẩm của dàn lạnh và hiệu quả sấy khô của máy

sấy lạnh bơm nhiệt” góp phần đưa ra những dẫn chứng khoa học nhằm nâng

cao hiệu suất làm việc của máy sấy lạnh bơm nhiệt

1.3.2 Mục đích nghiên cứu của luận văn

Xác định cấu trúc hợp lý bơm nhiệt sấy lạnh để tăng cường hiệu quả

dàn lạnh và hiệu quả quá trình sấy

1.3.3 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

thống sấy lạnh Nghiên cứu thực nghiệm từ đó xây dựng mô hình tính toán và

tìm lời giải tối ưu

1.3.4 Đối tƣợng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu trong luận văn là rau bắp cải phục vụ bộ đội ở

ngoài biên giới, hải đảo

1.3.5 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 khí

ngưng đọng, đóng băng lại Việc tăng khả năng tách ẩm của dàn lạnh có thể

được 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 kính ống to phù

hợp;

- Ẩm tách ra không bị cuốn theo gió đi vào buồng sấy (khi tốc 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 trong

buồng sấy tăng, nhưng khi đó tốc độ gió qua dàn bay hơi cũng tăng dễ phá

băng, tách ẩm ra khỏi bề mặt dàn và cuốn theo gió đi vào buồng sấy làm độ

ẩm gió sấy tăng lên, giảm cường độ sấy

Để ẩm đọng ở dàn lạnh không bị gió cuốn đi cần giảm tốc độ gió qua

dàn nhưng khi đó hiệu suất sấy khô lại giảm do tốc độ gió qua buồng sấy

giảm Để vẫn tăng được tốc độ gió qua buồng sấy mà không làm tăng tốc độ

gió qua dàn 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: Xác

định tỷ lệ Bypass hợp lý để tăng hiệu quả sấy của hệ thống và không làm

giảm khả năng tách ẩm của dàn lạnh

1.3.6 Phương pháp nghiên cứu

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

thực nghiệm

1.4 QUÁ TRÌNH SẤY VÀ PHÂN LOẠI CÁC PHƯƠNG PHÁP SẤY

1.4.1 Quá trình sấy

Quá trình sấy là quá trình chất lỏng hoặc hơi của nó mà chủ yếu là

nước hoặc hơi nước nhận năng lượng để dịch chuyển từ trong lòng VLS ra bề

mặt và nhờ tác 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 và khuyếch tán ẩm hỗn hợp Trao đổi nhiệt - ẩm giữa bề mặt VLS

với môi trường hay TNS là quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm đối lưu liên

hợp

1.4.2 Đặc tính quá trình sấy lạnh

Khi sấy lạnh, nhiệt độ và độ ẩm không khí cuối quá trình sấy đều nhỏ

hơn các giá trị tương ứng của môi trường quá trình làm việc của bơm nhiệt

sấy lạnh xảy ra theo chu trình 1231 23’’12 là các quá trình xảy ra khi dùng tổ

hợp máy hút ẩm chuyên dùng với máy lạnh Như vậy, với cùng mục đích tạo

nên quá trình sấy 12 thì khi dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp, ta đã tạo ra quá

trình làm lạnh 23 và gia nhiệt 31 thay cho quá trình khử ẩm 23’’ và làm lạnh

3’’1 mà phải 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) ở

dàn 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

ở dàn ngưng trong và quá trình sấy sản phẩm trong buồng sấy

Tâm điểm khảo sát là quá trình làm lạnh không khí 2-3 có thể được phân

tích và biểu diễn trên đồ thị hình 1.8 dưới đây:

φ = 100%

Hình 1.8: Quá trình sấy lạnh 12 của BN (1231) và tổ hợp máy hút ẩm

(123”1) trên đồ thị H - d

2-3 là quá trình thực làm lạnh hỗn hợp không khí-nước hay quá trình làm

lạnh khử ẩm của không khí Quá trình thuận nghịch làm lạnh hỗn hợp này từ

nhiệt độ tf của không khí sau buồng sấy tới cùng nhiệt độ tl của không khí sau

dàn lạnh sẽ là 2-2s-3’ Tính không thuận nghịch dẫn tới việc giảm thế nhiệt

động của dòng tương ứng với sự sai khác giữa điểm 3’ (không khí bão hòa)

và điểm 3 (không khí chưa bão hòa)

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 2-3 thực ra là đường cong

lõm nhưng có chung hai điểm 2-3 nên không làm thay đổi các kết quả tính với

H, vì vậy đôi khi ta không quan tâm tới hìnhdáng của đường này

1.4.3 Phân loại các phương pháp sấy

Thông thường hiện nay dựa vào trạng thái TNS hay cách tạo ra động

lực quá 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

SÊy b¶o qu¶n

HTS bøc x¹

HTS

t > 0°c

HTS th¨ng hoa

HTS ch©n kh«ng

M¸y hót Èm

vµ m¸y l¹nh

B¬m nhiÖt nÐn h¬i

1.4.3.1 Phương pháp sấy nóng

Trong phương pháp sấy nóng, để tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước

giữa TNS và VLS, có thể cung cấp nhiệt để đốt nóng chỉ TNS hay VLS hoặc

cả TNS và VLS Vì vậy, các hệ thống sấy nóng thường được phân loại theo

phương pháp cấp nhiệt như sau:

a Hệ thống sấy đối lưu:

VLS nhận nhiệt đối lưu từ một dịch thể nóng, thường là không khí hoặc

khói lò Đây là loại HTS phổ biến nhất trong phương pháp sấy nóng Trong hệ

thống sấy đối lưu, người ta lại phân ra các loại: HTS buồng, HTS hầm, HTS

thùng 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,

trong các HTS tiếp xúc người ta tạo ra độ chênh phân áp suất nhờ tăng phân

áp suất hơi 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 lòng

VLS ra bề mặt và từ bề mặt khuyếch tán vào môi trường Rõ ràng, trong HTS

bức xạ, độ chênh phân áp suất hơi nước giữa VLS và môi trường được tạo ra

chỉ 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 dòng

điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường để đốt nóng vật Trong các

HTS loại này, khi VLS đặt trong một trường điện từ thì trong vật xuất hiện

các dòng điện và chính dòng điện này đốt nóng vật Như vậy, giống như các

HTS bức xạ và HTS tiếp xúc, các HTS loại này cũng chỉ tạo ra độ chênh phân

áp suất giữa VLS và môi trường bằng cách đốt nóng vật Do kỹ thuật tạo ra

trường điện 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 cao

tần hoặc trường điện từ, độ chênh phân áp suất không chỉ trên bề mặt mà cả

trong lòng VLS cũng được tăng lên Do đó, hiệu ứng Luikov giữa dẫn nhiệt

và khuyếch tán ẩm (chiều khuếch tán ẩm và chiều truyền nhiệt ngược nhau)

cũng được hạn chế [1]

Phương pháp sấy này có ưu điểm đơn giản, chi phí đầu tư ban đầu

không cao Tuy nhiên để tạo tác nhân sấy thường phải đốt trực tiếp nhiên liệu

hóa thạch, nên hiệu suất không cao và phát thải khí nhà kính lớn Ngoài ra

nhược điểm lớn nhất là vì sấy ở nhiệt độ lớn hơn 60o

C sẽ làm ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm, dễ làm cho nguyên liệu bị chín và gây nên sự tạo

màng cứng ở lớp bề ngoài cản trở tới sự chuyển động của ẩm từ bên trong ra

bên ngoài bề mặt vật liêu sấy, ví dụ: nhiệt độ sản phẩm trong quá trình sấy

cao hơn 60 0

C thì protein bị biến tính, nếu trên 900C thì fructaza bắt đầu caramen hóa Các phản ứng tạo ra melanoidin và polyme cao phân tử có chứa

một số vitamin sẽ bị phân hủy Dòng nhiệt có hướng chuyển dịch từ ngoài bề

mặt VLS vào tâm, ngược hướng với chiều chuyển dịch của ẩm từ tâm VLS ra

ngoài, điều này làm giảm cường độ sấy

Nếu nhiệt độ cao hơn nữa thì nguyên liệu có thể bị cháy làm mất giá trị

dinh dưỡng và mất giá trị cảm quan của sản phẩm Như vậy các phương pháp

sấy 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, tiêu

hao năng lượng lớn, hiệu quả kinh tế thấp

1.4.3.2 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 phân thành 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 rắn

biến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa Để tạo ra quá trình thăng

hoa, 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

nhiệt lượng để ẩm từ trạng thái rắn thăng hoa thành thể khí và vào môi

trường Như vậy, trong các HTS thăng hoa, phải tạo được chân không xung

quanh VLS và làm 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

của sản 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 bảo

dưỡng lớn

+ Sấy thăng hoa thường được ứng dụng để sấy sản phẩm quý, dễ biến

chất do nhiệt như: máu, vắc xin,…

b HTS chân không:

Phương pháp sấy chân không là phương pháp tạo ra môi trường gần

như chân không trong buồng sấy, nghĩa là nhiệt độ vật liệu t < 00

C, áp suất TNS bao quanh vật p > 610 Pa Khi nhận được nhiệt lượng, các phần tử nước

trong VLS ở thể rắn sẽ chuyển sang thể lỏng, sau đó mới chuyển sang thể hơi

và đi vào 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 sản

phẩm quý, dễ biến chất Do tính phức tạp và không kinh tế nên các HTS thăng

hoa, HTS chân không chỉ dùng để sấy những VLS quí hiếm, không chịu

được nhiệt độ cao Vì vậy, các HTS này là những HTS chuyên dùng, không

phổ biến

* 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

một môi trường sấy có nhiệt độ khá thấp, thường có thể bằng hoặc bé hơn

nhiệt độ môi 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 khá

+ 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 công

nghệ;

+ 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 để

tạo ra môi trường sấy Nhiệt độ môi trường sấy có thể điều chỉnh trong giới

hạn khá rộng từ nhiệt độ xấp xỉ môi trường đến nhiệt độ âm, tùy thuộc yêu

cầu của VLS 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

năng lượng 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 dàn

lạnh, 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 của dàn ngưng trong và công suất máy lạnh;

+ Chi phí đầu tư hệ thống thấp hơn so với các phương pháp sấy lạnh

khác;

+ Vận hành đơn giản

Nhược điểm:

+ 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 giai

đoạn VLS có hàm lượng ẩm nhỏ (gần khô kiệt);

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

1.4.4 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

máy lạnh 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 Khác với sấy nóng, nếu như người ta chỉ sử dụng công suất nhiệt Qk của

dàn ngưng thì trong sấy lạnh người ta còn sử dụng cả công suất lạnh Q0 của

dàn lạnh Vì vậy, sử dụng bơm nhiệt sấy lạnh cho hiệu quả kinh tế cao hơn do

chỉ mất một công suất điện N ta thu được cả công suất lạnh Q0 và công suất

nhiệt Qk Sau đây là một số kết cấu của hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh được sử

dụng trong thực tế:

a) Kết cấu hai dàn ngưng:

- Không có bypass qua dàn ngưng:

Ưu điểm: Có thể điều chỉnh được nhiệt độ, độ ẩm tác nhân sấy tùy theo

vật liệu sấy bằng cách cấp thêm hoặc giảm bớt lượng môi chất qua dàn ngưng

tụ ngoài

Nhược điểm: Phải có van điện từ ba ngả

TiÕt l-u

Hình 1.9: Sơ đồ hệ thống sấy lạnh

- Có bypass qua dàn bay hơi

Hình 1.10: 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

cao nhiệt độ buồng sấy khi cần

Ưu điểm: Có thể nâng nhiệt độ tác nhân sấy lên nhanh hơn nhiều khả

năng của dàn 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

năng lượng

1.5 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 bột

avicel, 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 và trạng 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 so sánh các phương pháp sấy khác với phương pháp sấy lạnh

sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp dựa theo kết quả phân tích của Viện Công

nghệ Thực phẩm, Sở Công nghiệp Hà Nội

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

luận:

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

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

Bảng 1.4: 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

1 Chất lượng sản phẩm (màu

sắc, mùi vị, vitamin)

Kém hơn rất nhiều Tốt hơn Bằng nhau

2 Giá thành sản phẩm Thấp hơn Đắt hơn nhiều Đắt hơn

3 Thời gian sấy Ngắn hơn Ngắn hơn Lớn hơn hoặc

bằng

4 Chi phí đầu tư ban đầu Thường

thấp hơn Cao hơn nhiều Cao hơn

Khả năng điều chỉnh nhiệt

độ TNS theo yêu cầu công

nghệ

Khó hơn Khó hơn Khó hơn

7 Vệ sinh an toàn thực phẩm Thường

kém hơn Tốt hơn Bằng nhau

8 Bảo vệ môi trường Thường

kém hơn Như nhau Kém hơn

9 Phạm vi ứng dụng Rộng hơn Hẹp hơn Hẹp hơn

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

b 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

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

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

1.6 BƠM NHIỆT

1.6.1 Khái niệm bơm nhiệt

Bơm nhiệt là thiết bị dùng để đưa một dòng nhiệt từ nguồn có nhiệt độ

thấp đến nguồn có nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt Để duy

trì bơm nhiệt 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 bị của chúng là giống nhau Người ta chỉ phân biệt máy lạnh và bơm

nhiệt ở mục đích sử dụng chúng mà thôi Ở máy lạnh người ta sử dụng lạnh ở

thiết bị bốc hơi còn bơm nhiệt thì sử dụng nhiệt ở thiết bị ngưng tụ Do yêu

cầu sử dụng nhiệt nên thường bơm nhiệt hoạt động ở cấp nhiệt độ cao hơn

(hình 1.11)

1.6.2 Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt

Nguyên lý làm việc của bơm nhiệt giống như là máy lạnh tức là bơm

nhiệt cũng làm việc theo chu trình ngược chiều với các quá trình chính sau

(hình 1.12)

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

nhiệt

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;

Hình 1.11: Đồ thị thể hiện các cấp độ sử dụng nhiệt máy lạnh

2-3 : Quá trình ngưng tụ đẳng áp trong thiết bị ngưng tụ thải nhiệt cho

môi trường

3-4 : Quá trình tiết lưu của môi chất lỏng qua van tiết lưu từ áp suất cao

xuống áp suất thấp

4-1 : Quá trình hoá hơi đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp thu

nhiệt của môi trường lạnh

Hình 1.12: 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

o k

Nếu sử dụng bơm nhiệt kết hợp cả nóng và lạnh thì hiệu quả kinh tế

còn cao hơn nữa vì chỉ cần tiêu tốn một dòng năng lượng l ta có được cả năng

suất lạnh qo và năng suất nhiệt qk như mong muốn Gọi k là hệ số hiệu quả

của bơm nhiệt nóng lạnh thì:

1.6.3 Bơm nhiệt sấy và hút ẩm

Năm 1852 Thomson sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên trên thế giới [20]

Song song với kỹ thuật lạnh, bơm nhiệt có bước phát triển riêng của mình

Những thành công lớn nhất của bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940 khi

hàng loạt bơm nhiệt công suất lớn được lắp đặt thành công ở nhiều nước Châu

Âu để sưởi 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 lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi

kích cỡ cho các ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và

bán rộng rãi trên thị trường

Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều

hoà không khí, sấy, hút ẩm, đun nước

Theo các nguyên lý làm việc khác nhau người ta đã chế tạo được các

loại 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

có hiệu 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 ta còn sử dụng được cả nguồn nóng qA Ngoài 4 loại bơm nhiệt kể trên

người ta còn ghép nối lại với nhau nhằm có được những hiệu quả nhất định

Ví dụ bơm nhiệt hấp thụ- nén hơi nhằm mục đích tăng nhiệt độ ngưng tụ, qua

đó tăng nhiệt độ chất tải nhiệt Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt hấp thụ-

nén hơi chủ yếu như máy lạnh hấp thụ nhưng giữa bình sinh hơi và dàn ngưng

người ta lắp thêm một máy nén, hút hơi từ bình sinh hơi và nén vào dàn

ngưng Áp suất ngưng tụ cao nên dẫn tới nhiệt độ ngưng tụ tăng theo và hệ số

nhiệt của nó tăng lên đáng kể

Bơm nhiệt có thể được ứng dụng ở tất cả các cơ sở có nhu cầu năng

lượng ở nhiệt độ thấp khoảng 40  80 oC hoặc có thể cao đến 115  120 oC

Nếu như nhu cầu về nóng và lạnh ăn khớp nhau thì hiệu quả kinh tế do bơm

nhiệt đem lại càng lớn

Hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt biểu hiện qua hệ số bơm nhiệt  Hệ số

bơm nhiệt  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

liên tục và ổn định để thời gian hoàn vốn của thiết bị là thấp nhất Nói chung,

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

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

thể:

1.6.3.1 Ứng dụng của bơm nhiệt để hút ẩm

Bơm nhiệt hút ẩm đơn giản được mô tả trên hình 1.13 [20]

Hình 1.13: 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, dàn ngưng 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 khí được hút qua bơm nhiệt nhờ quạt hướng trục 5 Không khí

trong phòng đầu tiên 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 đối tăng lên đến trạng thái bão hoà Một phần ẩm ngưng tụ lại

chảy xuống khay nước 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 tăng lên t2 , độ ẩm tương đối giảm xuống 2 < 1 (hình

1.14)

Hình 1.14: Trạng thái không khí khi qua bơm nhiệt hút ẩm

Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn ngưng sẽ tăng lên vì phải nhận thêm

nhiệt do công của máy nén sinh ra và hơi nước ngưng tụ lại ở dàn bay hơi

Nếu yêu cầu nhiệt độ thấp hơn ta có thể có phương án sử dụng một phần nhiệt

lượng dàn ngưng vào mục đích khác Một máy hút ẩm như vậy có thể đặt ở

những nơi cần thiết giảm độ ẩm không khí xuống như ở phòng ở, phòng làm

việc, buồng phơi quần áo, thư viện, kho bảo quản các đồ quang học, các kho

bảo quản các sản phẩm dễ mốc như các hàng mây tre, sơn mài, cói đay, các

mặt hàng công nghệ phẩm, nông lâm hải sản xuất khẩu Đối với nước ta, một

nước nóng và ẩm, nấm mốc và vi sinh vật phát triển rất nhanh làm hư hỏng và

làm giảm chất lượng hầu hết các mặt hàng công, nông, ngư nghiệp đặc biệt là

các mặt hàng xuất khẩu gây tổn thất về kinh tế không nhỏ Nếu ứng dụng

được bơm nhiệt vào công nghiệp sấy và hút ẩm chắc chắn sẽ mang lại ý nghĩa

kinh tế to lớn

Để đánh giá hiệu quả của máy hút ẩm người ta sử dụng lượng ẩm riêng

Lượng ẩm riêng là khối lượng ẩm tách ra được khi tiêu tốn một đơn vị năng

của không khí buồng sấy và vào chính các thiết bị của máy hút ẩm (hình

1.15)

Hình 1.15: Sự phụ thuộc của lượng ẩm riêng vào độ ẩm tương đối và

nhiệt độ sấy trong quá trình tách ẩm

Theo biểu đồ, nhiệt độ sấy càng cao hiệu quả tách ẩm càng lớn Độ ẩm

càng cao, lượng ẩm riêng càng lớn

1.6.3.2 Ứng dụng của bơm nhiệt để sấy

Từ rất sớm (1950) ở Mỹ người ta đã xây dựng một thí nghiệm sấy hạt

nông sản bằng bơm nhiệt [20] Nhiệt độ buồng sấy, dàn ngưng tụ, dàn bay

hơi cũng như độ ẩm không khí được giám sát chặt chẽ Buồng sấy là một

phòng rộng 1,3 m2 để chứa hạt nông sản Bơm nhiệt có năng suất máy nén là

570 W, môi chất lạnh R12 Quạt gió ly tâm công suất 380 W để tuần hoàn

gió Quá trình sấy kết thúc khi hạt ngũ cốc đạt độ ẩm khoảng 12 % Nhiệt độ

sấy từ 43  54 oC ; tốc độ gió đạt từ 550  2000 m3/h Tiêu tốn năng lượng

cho 1 kg ẩm là 0,28 kWh/kg ẩm ở nhiệt độ 43 oC và 0,27 kWh/kg ẩm ở nhiệt

độ sấy 54 o

C Nếu so sánh với những bơm nhiệt sấy và hút ẩm ngày nay bán

rộng rãi trên thị trường hệ số nhiệt của nó cũng vào loại rất cao Kết luận công

trình nghiên cứu, tác giả đưa ra rất nhiều ưu điểm nhưng nhược điểm là vốn

đầu tư khá cao cho bơm nhiệt

Một trong những ứng dụng đầu tiên của bơm nhiệt vào công nghiệp sấy

là sử dụng bơm nhiệt để sấy gỗ [20] Hãng Westair đã nghiên cứu và sản xuất

bơm nhiệt cho mục đích này Các công trình nghiên cứu được tiến hành hàng

chục năm với hàng chục ngàn bộ thiết bị lắp đặt trên toàn thế giới Một kiểu

lắp đặt đặc biệt của bơm nhiệt Westair được mô tả trên hình 3.6

Hình 1.16: Buồng sấy gỗ bằng bơm nhiệt của hãng Westair

Bơm nhiệt là một khối hoàn chỉnh có vỏ bao che và các đường hướng

gió vào ra qua máy Toàn bộ bơm nhiệt được đặt trên giá có bánh xe do đó có

thể di chuyển nó một cách dễ dàng Hình 1.17 mô tả cấu tạo bên trong của

bơm nhiệt và sự biến đổi trạng thái không khí qua bơm nhiệt

Không khí trong buồng sấy có nhiệt độ 45 oC , độ ẩm tương đối là 75

% Khi qua dàn bốc hơi nhiệt độ hạ xuống 25 oC và độ ẩm tăng lên 100 %

Một phần ẩm ngưng tụ chảy xuống khay và theo đường ống ra ngoài Sau đó

không khí đi qua dàn ngưng tụ, nhiệt độ tăng lên 48 oC và độ ẩm giảm xuống

 = 55 % , qua quạt và mỏy nộn t = 49 oC và  = 52 %