Thiết kế và xác định các thông số công nghệ sấy của một số nông sản và dược liệu bằng năng lượng mặt trời

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC Tp.HCM, ngày .tháng năm 2006 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN VĂN HẠP Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 14 /7 /1979 Nơi sinh: Tiềng Giang Chuyên ngành: Công Nghệ Nhiệt MSHV: 00604144 I-TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ XÁC ĐỊNH CÁC THÔNG SỐ CÔNG NGHỆ CỦA HỆ THỐNG SẤY MỘT SỐ NÔNG SẢN VÀ DƯC LIỆU BẰNG NĂNG LƯNG MẶT TRỜI II- NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Tổng quan tình hình sử dụng lượng giới Việt Nam Cơ sở lý thuyết lượng mặt trời sấy Tính toán hệ thống sấy Xác định thông số thực nghiệm trình sấy Chương trình máy tính mô tính toán nhiệt collector Kết luận kiến nghị III-NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 06/02/2006 IV-NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 10/2006 V-HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP PGS.TS LÊ CHÍ HIỆP Nội dung đề cương luận văn thạc só Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua Ngày tháng năm 2006 PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH KHOA QUẢN LÝ NGÀNH -1- LỜI CẢM ƠN o0o -Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến thầy PGS.TS Lê Chí Hiệp tận tình hướng dẫn, động viên giúp đỡ suốt trình thực luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn thầy TS Bùi Ngọc Hùng tập thể anh, em công nhân viên công ty Cơ điện lạnh Bách Khoa giúp chế tạo mô hình hệ thống sấy Tôi xin gửi lời cảm ơn đến thầy cô Bộ môn Công nghệ nhiệt trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh tận tình giảng dạy giúp đỡ thời gian học cao học trường Qua đây, xin cảm ơn KS.Nguyễn Tấn Phương cán phòng thí nghiệm nhiệt lạnh giảng viên KS.Võ Kiến Quốc tận tình giúp đỡ thời gian tiến hành thí nghiệm Để hoàn thành luận văn xin tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đồng nghiệp hỗ trợ giúp đỡ động viên suốt thời gian thực luận văn Tác giả Nguyễn Văn Hạp LỜI CAM ĐOAN -o0o Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tác giả luận văn Nguyễn Văn Hạp TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ -o0o Luận văn gồm có chương: Chương 1: Tổng quan tình hình sử dụng lượng giới Việt Nam Trong chương trình trình bày tình hình sử dụng nguồn lượng giới Việt Nam vấn đề phát sinh sử dụng nguồn lượng Chương 2: Cơ sở lý thuyết lượng mặt trời sấy Trong chương khái quát lên sở lý thuyết lượng mặt trời, thiết bị sử dụng lượng mặt trời để sấy sở lý thuyết quá trình sấy Chương 3: Tính toán hệ thống sấy Nội dung chương trình sở toán học tính toán nhiệt collector, trình sấy Chương 4: Xác định thông số thực nghiệm trình sấy Trình bày kết số liệu, đồ thị thí nghiệm hình ảnh sản phẩm sấy Chương 5: Chương trình máy tính mô tính toán nhiệt collector Trình bày chương trình mô tính toán nhiệt collector để cấp nhiệt cho trình sấy bao gồm chng trình tính cho collector với dòng không khí chuyển động phía hai phía hấp thụ Chương 6: Kết luận kiến nghị Cuối phụ lục tài liệu tham khảo Mục lục o0o Lời cảm ôn Lời cam đoan Tóm tắt luận văn Muïc luïc Danh mục ký hiệu chữ viết tắt Chương 1: Tổng quan tình hình sử dụng lượng giới Việt Nam 11 Năng lượng vấn đề ô nhiễm môi trường 12 Tình hình sử dụng lượng giới việt nam 13 Chương 2: Cơ sở lý thuyết lượng mặt trời sấy 17 2.1 Không khí aåm 18 2.1.1 Tính chất không khí ẩm 18 2.1.2 Caùc trình biến đổi không khí ẩm trình sấy 20 2.2 Năng lượng mặt trời 23 2.2.1 Các thông số mặt trời lượng mặt trời 23 2.2.2 Các thông số thời tiết nước ta 23 2.3 Collector mặt trời 31 2.3.1 Phân loại collector không khí 32 2.3.1.1 Collector loại hấp thụ không đục lỗ 32 2.3.1.2 Collector loại hấp thụ đục lỗ 34 2.3.2 Cấu tạo 35 2.4 Phân loại phương pháp sấy 36 2.4.1 Sấy lượng truyền thống 36 2.4.2 Sấy lượng mặt trời 36 2.4.2.1 Loại không gian mở 37 2.4.2.2 Loại hấp thụ trực tiếp xạ nặt trời 38 2.4.2.3 Loại hấp thụ gián tiếp xạ mặt trời 40 2.4.2.4 Loại kết hợp trực tiếp gián tiếp 42 2.4.2.5 Loại ghép lượng mặt trời nguồn lượng khác 43 2.5 Quá trình sấy 45 2.5.1 Khái niệm trình saáy 45 2.5.2 Cơ chế thoát ẩm khỏi vật liệu ẩm trình sấy 48 2.5.2.1 Quá trình khuếch tán nội 48 2.5.2.2 Quá trình khuếch tán ngoại 48 2.5.2.3 Mối quan hệ trình khuếch tán nội khuếch tán ngoại 48 2.5.3 Các giai đoạn trình sấy 49 2.5.3.1 Giai đoạn đun nóng vật liệu sấy 49 2.5.3.2 Giai đoạn sấy đẳng tốc 49 2.5.3 Giai đoạn sấy giảm tốc 49 2.5.3.4 Caùc đường cong trình sấy 50 2.6 Đối tượng sấy 52 2.6.1 Phân loại đối tượng sấy 52 2.6.2 Mối liên kết ẩm 52 2.6.2.1 Liên kết hóa học 53 2.6.2.2 Liên kết hóa lý 53 2.6.2.3 Liên kết ly ù 53 Chương 3: Tính toán hệ thống sấy 56 3.1 Lựa chọn mô hình hệ thống sấy 57 3.2 Sơ đồ khối tính toán thiết kế hệ thống sấy 59 3.3 Tính toán thiết kế hệ thoáng 61 3.3.1 Tính toán nhiệt collector 61 3.3.1.1 Tính toán nhiệt collector với dòng khí chuyển động phía phủ 61 3.3.1.2 Tính toán nhiệt collector với dòng khí chuyển động hai phía phủ 70 3.3.2 Tính toán nhiệt hệ thống sấy 72 3.4 Lắp đặt thiết bị 73 3.4.1 Vật liệu chế tạo kích thước hệ thống 73 3.4.2 Một số hình ảnh hệ thống 73 3.4.5 Thiết bị thí nghiệm 74 3.5 Tính toán cụ thể 74 3.5.1 Tính hiệu suất collector với dòng không khí chuyển động phía hấp thụ 74 3.5.2 Tính hiệu suất collector với dòng không khí chuyển động phía hấp thụ 79 Chương 4: Xác định thông số thực nghiệm trình sấy 80 5.1 Sấy khổ qua 81 5.1.1 Chuẩn bị nguyên liệu 81 5.1.2 Tiến hành thí nghiệm kết 83 5.2 Saáy carrot 87 5.2.1 Chuẩn bị nguyên liệu 87 5.2.2 Tiến hành thí nghiệm kết 89 5.3 Sấy cải thảo 94 5.3.1 Chuẩn bị nguyên liệu 94 5.3.2 Tiến hành thí nghiệm kết 96 5.4 Saáy ớt 101 5.4.1 Chuẩn bị nguyên liệu 101 5.4.2 Tiến hành thí nghiệm kết 102 Chương 5: Chương trình máy tính cho toán sấy dùng lượng mặt trời 106 5.1 Chương trình tính hiệu suất collector 107 5.1.1 Chương trình tính cho collector với dòng không khí chuyển động phía hấp thụ 107 5.1.2 Chương trình tính cho collector với dòng không khí chuyển phía hấp thụ 112 Chương 6: Kết luận kiến nghị 114 Kết luận 115 Kiến nghị 116 Phương hướng phát triển đề tài 117 Phuï luïc 119 Tài liệu tham khảo 138 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TAÉT o0o A, a Diện tích Collector, hệ số khuếch tán nhiệt Cp Nhiệt dung riêng đẳng áp d Độ chứa f Hệ số ma sát F′ Hiệu suất hiệu dụng FR Hiệu suất thoát G Khối lượng không khí, nước Gr Tiêu chuẩn grashop Gs Bức xạ Mặt Trời đến mặt phẳng ngang g Gia tốc trọng trường H Cường độ xạ tổng xạ mặt phẳng nằm ngang; chiều cao collector hc , hr Tương ứng hệ tỏa nhiệt đối lưu, xạ IT Bức xạ Mặt Trời đến bề mặt collector i Enthalpy, số đầu vào k Hệ số truyền nhiệt, hệ số suy giảm KK Không khí L Chiều dài collector N Số phủ Nu Chuẩn số Nusselt n Pháp tuyến, số lượng, số năm, số thứ tự ngày năm, chiết suất môi trường m Lưu lượng không khí, khối lượng vật liệu sấy o Chỉ số đầu p Aùp suaát PV (Photovoltaic) Tấm pin mặt trời Pr Số Prandtl Q, Qu, QL Nhiệt lượng, nhiệt lượng có ích, nhiệt tổn thất r Ẩn nhiệt hóa nước R Hằng số khí Ra Chuẩn số Raleigh Rb Hệ số chuyển đổi lượng xạ trực xạ Re Chuẩn số Reynolds T,Tp,Tc,Tf,Ta Nhiệt độ, nhiệt độ trung bình hấp thụ, phủ, không khí collector môi trường t Thời gian u Hàm ẩm vật liệu sấy UV (Ultraviolet) Tia cực tím UL, Ub, Ut Tổn thất nhiệt toàn phần, qua mặt đáy, qua mặt U″ Tổn thất nhiệt toàn phần tương đương W Chiều rộng collector α Góc cao độ Mặt Trời, hệ số hấp thụ αw hệ tỏa nhiệt đối lưu gió β Góc nghiêng collector với mặt phẳng ngang δ Góc lệch Mặt Trời, bề dày mỏng ε, εc, εp, εb Hệ số phát xạ, hệ số phát xạ phủ, hệ số phát xạ hấp thụ mặt đáy ϕ Vó độ, độ ẩm tương đối γ Góc phương vị mặt phẳng nghiêng γs Góc phương vị mặt phẳng ngang 125 enta_b = Text24.Text lamda_b = Text25.Text N = Text26.Text omega = Text27.Text omega_f = Text16.Text gio_dong_ho = Text48.Text ' -goc_gio_MTroi = (12 - gio_dong_ho) * 15 goc_lech_MTroi = 23.45 * Sin(3.1416 * 360 * ((284 + n_ngay) / 365) / 180) cos_tot = (Cos(3.1416 * (vido - peta) / 180) * Cos(3.1416 * goc_gio_MTroi / 180) * Cos(3.1416 * goc_gio_MTroi / 180)) + (Sin(3.1416 * (vido - peta) / 180) * Sin(3.1416 * goc_lech_MTroi / 180)) cos_toz = (Cos(3.1416 * vido / 180) * Cos(3.1415 * goc_lech_MTroi / 180) * Cos(3.1416 * goc_gio_MTroi / 180)) + Sin(3.1416 * vido / 180) * Sin(3.1416 * goc_lech_MTroi / 180) Rb = cos_tot / cos_toz tot = Atn(Sqr((1 / (cos_tot ^ 2)) - 1)) * 180 / 3.1416 to2 = Atn(Sqr(1 / ((1 / ((n1 / n2) * Sin(3.1416 * tot / 180)) ^ 2) - 1))) * 180 / 3.1416 ro_v = Sin(3.1416 * (to2 - tot) / 180) ^ / Sin(3.1416 * (to2 + tot) / 180) ^ ro_s = Tan(3.1416 * (to2 - tot) / 180) ^ / Tan(3.1416 * (to2 + tot) / 180) ^ ro = (ro_v + ro_s) / to_r = (((1 - ro_v) / (1 + ro_v)) + ((1 - ro_s) / (1 + ro_s))) / 126 to_alfa = 2.7183 ^ (-Kc * Lc / Cos(3.1416 * to2 / 180)) to_tong = to_r * to_alfa HSHTTH = (to_tong * epxilon_p) / (1 - (1 - epxilon_p) * ro) Text50.Text = Round(HSTQSG, 2) ' For Tp = Ta + To 80 Step 0.5 Text11 = Tp For Tf = Ta To 80 Step 0.5 Text41 = Tf Data3.Refresh Data1.RecordSource = "select*from bang1, bang2 where bang1.T>=bang2.nhietdo order by T" Data1.Refresh Data2.RecordSource = "select*from bang1, bang2 where bang1.T< bang2.nhietdo order by T desc" Data2.Refresh If Text11 < Text2 And Text11 > Text7 Then Text12.Text = Val(Text8) + ((Val(Text11) - Val(Text7)) * (Val(Text3) Val(Text8)) / (Val(Text2) - Val(Text7))) Text18.Text = Val(Text9) + ((Val(Text11) - Val(Text7)) * (Val(Text4) Val(Text9)) / (Val(Text2) - Val(Text7))) Text19.Text = Val(Text21) + ((Val(Text11) - Val(Text7)) * (Val(Text20) - Val(Text21)) / (Val(Text2) - Val(Text7))) Lamda_gio = Text12 Muy_gio = Text18 127 a_gio = Text19 ElseIf Text11 = Text2 Then Text12.Text = Val(Text3) Text18.Text = Val(Text4) Text19.Text = Val(Text20) Lamda_gio = Text12 Muy_gio = Text18 a_gio = Text19 ElseIf Text11 = Val(Text7) Then Text12.Text = Val(Text8) Text18.Text = Val(Text9) Text19.Text = Val(Text21) Lamda_gio = Text12 Muy_gio = Text18 a_gio = Text19 End If pr_gio = Muy_gio / a_gio Ltd_gio = (4 * W * L) / (2 * (W + L)) Re_gio = omega * Ltd_gio / Muy_gio Nu_gio = 0.86 * Re_gio ^ (1 / 2) * pr_gio ^ (1 / 3) anfa_gio = Nu_gio * Lamda_gio / Ltd_gio C = 520 * (1 - 0.000051 * peta ^ 2) f = (1 + (0.089 * anfa_gio) - (0.1166 * anfa_gio * epxilon_p)) * (1 + (0.07866 * N)) e = 0.43 * (1 - 100 / (Tp + 273)) 128 y = 5.6697 * 10 ^ (-8) * (Ta + Tp + * 273) * ((Tp + 273) ^ + (Ta + 273) ^ 2) Z = (epxilon_p + 0.00591 * N * anfa_gio) ^ (-1) + ((2 * N + f - + 0.133 * epxilon_p) / epxilon_c) - N x = (N * (Tp + 273)) / (C * ((Tp - Ta) / (N + f)) ^ e) + (1 / anfa_gio) Ut = x ^ (-1) + (y / Z) Data6.Refresh Data4.RecordSource = "select*from bang1, bang3 where bang1.T>=bang3.ndkk order by T" Data4.Refresh Data5.RecordSource = "select*from bang1, bang3 where bang1.T< bang3.ndkk order by T desc" Data5.Refresh If Text41 < Text31 And Text41 > Text36 Then Text42.Text = Val(Text37) + ((Val(Text41) - Val(Text36)) * (Val(Text32) - Val(Text37)) / (Val(Text31) - Val(Text36))) Text43.Text = Val(Text38) + ((Val(Text41) - Val(Text36)) * (Val(Text33) - Val(Text38)) / (Val(Text31) - Val(Text36))) Text44.Text = Val(Text39) + ((Val(Text41) - Val(Text36)) * (Val(Text34) - Val(Text39)) / (Val(Text31) - Val(Text36))) lamda_f = Text42 muy_f = Text43 a_f = Text44 ElseIf Text41 = Text31 Then Text42.Text = Val(Text32) Text43.Text = Val(Text33) 129 Text44.Text = Val(Text34) lamda_f = Text42 muy_f = Text43 a_f = Text44 ElseIf Text41 = Text36 Then Text42.Text = Val(Text37) Text43.Text = Val(Text38) Text44.Text = Val(Text39) lamda_f = Text42 muy_f = Text43 a_f = Text44 End If ' -Ltd_f = Round((4 * W * (H / 2)) / (2 * (W + (H / 2))), 4) Re_f = omega_f * Ltd_f / muy_f Nu_f = Round(0.0158 * (Re_f ^ (0.8)), 4) hfb = (Nu_f * lamda_f) / Ltd_f Ub = / ((1 / hfb) + (enta_b / lamda_b) + (1 / anfa_gio)) Qt = W * L * Ut * (Tp - Ta) / 1000 Qb = W * L * Ub * (Tf - Ta) / 1000 Qe = L * H * Ub * (Tf - Ta) / 1000 It = Gs * W * L * Rb / 1000 Qu1 = It * HSHTTH - Qt - Qb - Qe Qu = omega_f * W * H * (Tf - Ta) ' Text28.Text = Round(It, 2) 130 Text46.Text = Round((Qu1 / It) * 100, 2) Text47.Text = Round(Qu1, 3) If Qu >= (Qu1 - 0.1) And Tp > Tf Then GoTo thoat: End If Next Tf Next Tp thoat: End Sub Private Sub Command2_Click() thoat End Sub Private Sub Command6_Click() Text28.Text = "" Text47.Text = "" Text11.Text = "" Text41.Text = "" Text50.Text = "" Text46.Text = "" End Sub ‘ -Code Form giới thiệu Private Sub cmd1_Click() thoat End Sub Private Sub Form_Load() Timer1.Interval = 100 131 Label1.ForeColor = &H80000002 Label1.FontSize = 13 Label1.Caption = "CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG TÍNH TOÁN NHIỆT COLLECTOR" Label2.ForeColor = &H80000002 Label2.FontSize = 13 Label2.Caption = "HVTH: NGUYỄN VĂN HẠP" cmd1.Caption = "Exit" cmd1.FontSize = 12 cmd2.FontSize = 12 cmd2.Caption = "Enter" Label3.Caption = " Luận văn cao học - Chuyên ngành: Công nghệ nhiệt - K15 - ĐHBK TPHCM " Label3.FontSize = 10 Label3.ForeColor = &H80000002 End Sub Private Sub Timer1_Timer() Dim x As String Dim y As String x = Left(Label3.Caption, 1) y = Right(Label3.Caption, Len(Label3.Caption) - 1) Label3.Caption = y + x End Sub 132 Phuï luïc 2: Một số hình ảnh hệ thống sấy Cánh phản xạ Hình 1: Hình tổng thể hệ thống sấy sử dụng cánh phản xạ Buồng sấy Collector Hình 2: Hình tổng thể hệ thống sấy không sử dụng cánh phản xạ 133 Khay Hình 3: Cấu tạo buồng sấy Quạt Bộ chỉnh tốc độ quạt Hình 4: Quạt chỉnh tốc độ 134 Hình 5:Chế độ sấy với dòng không khí chuyển động phía hấp thu Phụ lục 3: Hình ảnh thiết bị dùng thí nghiệm Hình 6: Thiết bị đo xạ mặt trời 135 Hình 7: Thiết bị đo độ ẩm, nhiệt độ bầu khô bầu ướt không khí ẩm 136 Hình 8: Thiết bị đo vận tốc gió 137 Phụ lục 4: Kết phân tích độ ẩm ban đầu vật liệu sấy 138 Tài liệu tham khảo o0o -1 Hoàng Văn Chước, Giáo trình kỹ thuật sấy, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2004 Hoàng Đình Tín, Truyền nhiệt tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2001 Hoàng Đình Tín, Lê Chí Hiệp, Nhiệt động lực học kỹ thuật, NXB Khoa học Và Kỹ thuật, 1997 Hoàng Đình Tín, Bùi Hải, Bài tập nhiệt động học kỹ thuật truyền nhiệt, NXB ĐẠi học Quốc gia Tp.HCM, 2002 John A Duffie, Willian A Beckman, Solar engineering of thermal processes, John Wiley & son, Inc., 1980 Trịnh Quang Dũng, Nghiên cứu ứng dụng điện mặt trời phụ tải lưới điện quốc gia Tp.HCM, Tài liệu báo cáo hội thảo quy hoạch dạng lượng tái tạo địa bàn Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2004 Lê Chí Hiệp, Máy lạnh hấp thụ kỹ thuật điều hòa không khí, NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2004 Hubert Fechner, Otto Bucek, solar air collectors -investigations on several series-produced collectors Lê Chí Hiệp, Kỹ thuật điều hòa không khí, NXB Khoa học Kỹ thuật, 1998 10 Nguyễn Văn Lụa, Kỹ thuật sấy vật liệu, NXB Đại học Quốc gia Tp.HCM, 2001 139 11 Nguyễn Văn May, Giáo trình kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2002 12 PGS.TSKH Trần Văn Phú, Tính toán thiết kế hệ thống sấy, NXB Giáo dục, 2001 13 Janet Ramage, Energy a guidebook, Oxford university press, 1982 14 B M Santos, M R Queiroz and T P F Borges, A solar collector design procedure for crop drying, 2005 15 TS Lê Hoàng Tố, Tình hình nghiên cứu triển khai lượng thành phố Hồ Chí Minh, Tài liệu báo cáo hội thảo quy hoạch dạng lượng tái tạo địa bàn Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2004 16 TS Bùi Tuyên, Năng lượng mặt trời ứng dụng Thành phố Hồ Chí Minh - Tài liệu báo cáo hội thảo quy hoạch dạng lượng tái tạo địa bàn Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2004 17 Nguyễn Công Vân, Năng lượng mặt trời: trình nhiệt ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2005 18 N A Vlachos, T D Karapantsios, A I Balouktsis, and A Chassapis, Design and testing of a new solar tray dryer, 2002 ... trình sấy lý thuyết (1-2-3) đồ thị t-d 23 2.2 Năng lượng mặt trời 2.2.1 Các thông số mặt trời lượng mặt trời 2.2.1.1 Tổng quan mặt trời [2],[5],[9],[17] Mặt trời khối khí cực nóng, dạng hình cầu Các. .. khí ẩm 18 2.1.2 Các trình biến đổi không khí ẩm trình sấy 20 2.2 Năng lượng mặt trời 23 2.2.1 Các thông số mặt trời lượng mặt trời 23 2.2.2 Các thông số thời tiết nước ta ... thông gió Tấm hấp thụ Vật liệu sấy Không khí vào Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy hấp thụ trực tiếp xạ mặt trời Vật liệu sấy đặt sàn thiết bị sấy, xạ mặt trời chiếu trực tiếp vào vật liệu