Luận văn nghiên cứu ứng dụng công nghệ bơm nhiệt, thiết kế hoàn thiện lò sấy gỗ quy mô (30 50)m3mẻ

Luận văn

i Bộ giáo dục và đào tạo Trờng đại học nông nghiệp hà nội -------------***------------- Nguyễn văn đoàn Nghiên cứu ứng dụng công nghệ bơm nhiệt, thiết kế hoàn thiện lò sấy gỗ quy mô (30-50)m 3 /mẻ Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành: Điện khí khoá sản xuất Nông nghiệp và nông thôn Mã số: 60.52.54 Ngời hớng dẫn khoa học: PGS.TS. trần mạnh hùng hà nội - 2011 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… i LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam đoan bản luận văn này do tôi tự tìm hiểu, nghiên cứu, tính toán và thiết kế hoàn thiện dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Trần Mạnh Hùng, cùng với sự giúp đỡ của công ty cổ phần lâm sản Nam Định và các đồng nghiệp. Để hoàn thành luận văn này, tôi chỉ sử dụng những tài liệu đã ghi trong mục tài liệu tham khảo và các số liệu tôi đi khảo sát thực tế tại công ty cổ phần lâm sản Nam Định, ngoài ra tôi không sử dụng bất cứ tài liệu nào khác mà không được ghi. Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm về những số liệu trong bản luận văn này. Hà Nội, ngày tháng năm 2011 Học viên Nguyễn Văn ðoàn Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… ii LỜI CẢM ƠN Trước tiên tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy PGS.TS Trần Mạnh Hùng người đã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn này. Qua đây tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành nhất đối với: Ban giám hiệu trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội Viện đào tạo sau đại học, khoa Cơ-Điện trường Đại học Nông Nghiệp Hà Nội. Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh-cơ sở tại Thái bình Các thầy cô giáo trường Cao đẳng nghề KTKT vinatex Lãnh đạo, nhân viên Công ty Cổ phần Lâm Sản Nam Định Đã tạo điều kiện thuận lợi để đề tài tôi nghiên cứu hoàn thành đúng tiến độ. Do hạn chế về thời gian cũng như nhận thức nên luận văn tôi thực hiện không tránh khỏi những thiếu sót bất cập. Rất mong được sự chỉ bảo, góp ý tận tình của các thầy, cô giáo, cùng với sự giúp đỡ của các đồng nghiệp, các công ty nơi tôi đến khảo sát thực nghiệm, để luận văn hoàn thiện hơn và sớm được ứng dụng vào thực tế. Hà Nội, ngày tháng năm 2011 Học viên Nguyễn Văn ðoàn Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… iii MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN 4 1.1. Khái quát chung 4 1.2. Đặc điểm và khả năng ứng dụng các phương pháp sấy truyền thống. 7 1.2.1. Sấy tự nhiên. 8 1.2.2. Sấy cưỡng bức. 9 1.3. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ bơm nhiệt chế biến gỗ ngoài nước. 14 1.4. Tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ chế biến gỗ trong nước. 21 1.4.1. Sơ Lược về công nghiệp chế biến gỗ ở Việt Nam qua các thời kỳ. 21 1.4.2. Một số kết quả nghiên cứu ứng dụng công nghệ bơm nhiệt trong nước. 24 CHƯƠNG II : NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 30 2.1. Nội dung 30 2.2. Phương pháp nghiên cứu 30 2.2.1. Phương pháp tiếp cận 30 2.2.2. Nghiên cứu lí thuyết 31 2.2.3. Điều tra khảo sát 31 2.2.4. Nghiên cứu thực nghiệm. 31 2.2.5. Phương án cải tạo nâng cấp. 31 CHƯƠNG III: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN TRIỂN KHAI ĐỀ TÀI 36 3.1. Sấy gỗ bằng công nghệ bơm nhiệt. 36 3.1.1. Khái quát chung. 36 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… iv 3.1.2. Cơ sở ứng dụng bơm nhiệt. 39 3.1.3. Kết quả ứng dụng công nghệ bơm nhiệt trong nước 42 3.2. Tính toán thiết kế các phần tử chính lò sấy gỗ sử dụng bơm nhiệt. 46 3.2.1. Cơ sở lý luận và giải pháp cải tạo lò sấy gỗ hiện có. 46 3.2.2. Sơ đồ nguyên lý sấy gỗ bằng bơm nhiệt. 51 3.2.3. Xác định các thông số kết cấu và công nghệ lò sấy gỗ bằng bơm nhiệt. 53 CHƯƠNG IV: KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 57 4.1. Kết quả khảo sát tại công ty cổ phần lâm sản Nam Định. 57 4.1.1. Khái quát về công ty. 57 4.1.2. Hiện trạng và nhu cầu cải tiến nâng cấp. 60 4.2. Yêu cầu sử dụng hệ thống thiết bị sấy bơm nhiệt. 69 4.2.1. Các thông số và quy trình công nghệ sấy gỗ bằng bơm nhiệt. 69 4.2.2. Gia nhiệt và rút ẩm sấy gỗ. 71 4.3. Đề xuất hệ thống và xác định các thông số công nghệ sấy gỗ bằng bơm nhiệt. 71 4.3.1. Xác định các thông số công nghệ sấy gỗ quá trình sấy lý thuyết. 71 4.3.2. Xác định các thông số công nghệ sấy gỗ quá trình sấy thực tế. 78 4.3.3. Tính toán lựa chọn máy bơm nhiệt và các thiết bị điều khiển. 85 4.4. Đánh giá hiệu quả kinh tế kỹ thuật và môi trường. 90 4.4.1. Hiệu quả kinh tế kĩ thuật. 90 4.4.2. Bảo vệ môi trường 92 KẾT LUẬN 96 PHỤ LỤC 99 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… v DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 4.1. Xác lập chế độ làm việc của thiết bị bơm nhiệt. 86 Bảng 4.2. Tổng hợp hiệu quả kinh tế 95 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… vi DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Ván gỗ bị nứt nẻ, biến dạng do không được sấy đúng quy cách 7 Hình 1.2. Dạng lò sấy năng lượng mặt trời 10 Hình 1.3. Dạng điển hình của lò sấy hơi nước 11 Hình 1.4. Nồi hơi đun bằng củi [8] 11 Hình 1.5. Nguyên lý chu trình thiết bị sấy dùng bơm nhiệt 13 Hình 1.6. Minh họa lò sấy gỗ bơm nhiệt dung tích nhỏ, vừa và lớn của Hãng NOVA 15 Hình 1.7. Lò sấy gỗ bơm nhiệt hút ẩm nhiệt độ thấp của Hãng NOVA dung tích vừa và lớn với dung lượng (13-28) m3 (từ 5.500 đến 12.000 tấm gỗ xẻ) 15 Hình 1.8. Ván gỗ được sấy và gia công đúng quy cách 16 Hình 1.9. Thiết bị bơm nhiệt hút ẩm nhiệt độ thấp (a) và Sơ đồ nguyên lý của lò sấy gỗ sử dụng điện (b) 47 Hình 1.10. Cấu trúc lò sấy gỗ hơi nước của Hãng NOVA 17 Hình 1.11. Bố trí ván xẻ trong lò sấy gỗ sử dụng bơm nhiệt rút ẩm nhiệt độ thấp 17 Hình 1.12. Bố trí ván xẻ trong lò sấy gỗ sử dụng bơm nhiệt rút ẩm nhiệt độ thấp 18 Hình 1.13. Thiết bị bơm nhiệt rút ẩm nhiệt độ thấp lò sấy gỗ sử dụng điện 18 Hình 1.14. lò sấy gỗ sử dụng năng lượng mặt trời. 19 Hình 1.15. Thiết bị đo độ ẩm của gỗ kiểu điện trở 19 Hình 1.16. Ảnh hưởng của kích thước (độ dày-trục hoành) của ván gỗ đối với thời gian sấy (trục tung). 19 Hình 1.17. Biểu đồ quan hệ nhiệt-ẩm của nhiệt độ và độ ẩm không khí tương đối/tuyệt đối, độ ẩm bão hòa (EMC) của gỗ tại áp suất khí quyển 764,16 mmHg. 20 Hình 1.18. Một số sản phẩm của ngành công nghiệp chế biến gỗ 23 Hình 1.19: Sử dụng gỗ phế loại để đun nồi hơi. 27 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… vii Hình 3.1. Nguyên lý chu trình bơm nhiệt nén hơi 36 Hình 3.2. Cấu tạo thiết bị sấy bơm nhiệt tuần hoàn kín Westair. [7] 41 Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sấy bơm nhiệt 46 Hình 3.4. Chu trình tuần hoàn của tác nhân lạnh trong thiết bị sấy bơm nhiệt 47 Hình 3.5. Đồ thị I-d biểu diễn chu trình của tác nhân sấy trong thiết bị sấy dùng bơm nhiệt rút ẩm 48 Hình 3.6. Nguyên lý hệ thống bơm nhiệt máy nén 51 Hình 3.7. Mặt cắt B-B lò sấy 53 Hình 3.8. Mặt cắt A-A lò sấy 54 Hình 4.1. Lò sấy tự động và các thiết bị được lắp trong lò 60 Hình 4.2. Cửa chính và hệ thống mở cửa lò, hướng dẫn sử dụng 61 Hình 4.3. Các cửa thoát ẩm của lò sấy được đóng mở bằng động cơ vent 62 Hình 4.5. Các thiết bị điều khiển được lắp đặt phía sau lò 63 Hình 4.6. Mặt cắt B-B lò sấy 65 Hình 4.7. Mặt cắt A-A lò sấy 66 Hình 4.8. Lò hơi, nhiên liệu dùng để đốt lò và khói bụi ô nhiễm từ lò hơi 67 Hình 4.9. Hệ thống lọc khói, bụi thải ra do đốt lò hơi 67 Hình 4.10. Nhà xưởng để lắp đặt lò hơi 68 Hình 4.11. Cân bằng nhiệt quá trình sấy thực 79 Hình 4.12. Đồ thị I-d quá trình sấy thực 83 Hình 4.13 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển 89 Hình 4.13. Khí thải ô nhiễm thải ra môi trường từ đốt lò 93 Hình 4.14. Ô nhiễm không khí khiến tuổi thọ của con người có thể giảm từ 4 tới 36 tháng. [Vinanet] 94 Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… 1 MỞ ðẦU Trong tiến trình công nghịêp hóa, hiện đại hóa đất nước ngành công nghiệp chế biến lâm sản đang là một trong những ngành được Nhà nước hết sức quan tâm. Để tăng giá trị sản phẩm điều không thể thiếu được là phải có những công nghệ chế biến và bảo quản tiên tiến, như vậy sản phẩm của Việt Nam mới đủ sức cạnh tranh trên thị trường khu vực và quốc tế. Điều này đồng nghĩa với việc tạo cơ hội tốt cho các doanh nghiệp chế biến và bảo quản lâm sản quảng bá thương hiệu của mình, dần khẳng định vị trí và trào lưu phát triển chung của thương mại quốc tế. Làm khô là một trong những công đoạn được ứng dụng khá rộng rãi trong công nghệ bảo quản và chế biến lâm sản. Từ thời xa xưa con người đã biết ứng dụng năng lượng mặt trời để phơi khô các sản phẩm nhằm mục đích bảo quản dài ngày nâng cao được cường độ, độ bền của gỗ, hạn chế cong, vênh, nứt nẻ, mục, mọt, nấm, mốc, biến chất, giảm độ dư gia công và có thể dự trữ trong kho. Những công nghệ và thiết bị sấy tiên tiến ngày càng khẳng định vị trí không thể thiếu được trong công nghiệp bảo quản và chế biến các sản phẩm lâm, nông sản thực phẩm như: Sấy đối lưu, sấy buồng, sấy thùng quay, sấy phun, sấy tháp đứng, sấy băng tải, sấy hồng ngoại, sấy tầng sôi, sấy cao tần, sấy chân không, sấy thăng hoa và sấy bơm nhiệt…. Năng lượng sấy cũng rất đa dạng như: Than đá, than củi, trấu, dầu đốt, điện, năng lượng mặt trời. Song mỗi loại máy sấy cũng chỉ phù hợp với một số sản phẩm nhất định. Lý do mỗi sản phẩm có những công nghệ sấy khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu công nghệ. Chức năng chung của các máy sấy là làm giảm thủy phần của sản phẩm đến độ cho phép bảo quản an toàn trong điều kiện nhất định. Mặt khác để làm giảm thủy phần và tăng tốc độ sấy có thể điều khiển các thông số; Tăng nhiệt độ sấy, giảm áp suất hơi riêng phần trên bề mặt sản phẩm, tăng lưu lượng và tốc độ của tác nhân sấy, giảm độ ẩm tương đối của tác nhân Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học kỹ thuật …………………………… 2 sấy… Nhưng trong thực tế các thông số trên chỉ nằm trong giới hạn nhất định phù hợp với từng loại sản phẩm, nếu vượt khỏi giới hạn đó có thể gia tăng tốc độ sấy nhưng dễ nguy cơ làm giảm chất lượng sản phẩm. Điều cần thiết đối với nhà nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy sấy là: - Cần hiểu rõ bản chất công nghệ của đối tượng sấy từ đó định ra các thông số công nghệ của quá trình sấy. - Từ các thông số công nghệ trên kết hợp giữa chất lượng sản phẩm và giá thành sấy để lựa chọn nguyên lý sấy phù hợp. - Nhược điểm của các thiết bị sấy dùng tác nhân sấy tuần hoàn hở (tức sử dụng ngay không khí môi trường để làm tác nhân sấy đồng thời là tác nhân tải ẩm): Đối với các loại máy sấy này sự ảnh hưởng của độ ẩm môi trường đến quá trình sấy là rất lớn, chưa kể đến sự ô nhiễm không khí ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm. Như vậy độ làm việc ổn định của thiết bị không cao đối với những ngày có độ ẩm lớn hoặc buổi tối có sương mù xuất hiện làm việc giảm đáng kể điều này đã kiểm chứng thực tế một số thiết bị sấy của nước ngoài (thiết bị của Châu Âu) rất tốt nhưng khi nhập sang Việt Nam thì hiệu suất làm việc kém hơn nhiều và không ổn định, lý do độ ẩm môi trường tại Việt Nam cao hơn nhiều so với Châu Âu. Giải pháp khắc phục để tăng hiệu suất làm việc của thiết bị loại này bằng cách tăng nhiệt độ sấy, nhưng nhiệt độ sấy chỉ có thể tăng hữu hạn và tùy vào từng loại sản phẩm. Ở Việt Nam hiện nay việc sấy lâm sản ứng dụng phương pháp sấy hơi nước là phổ bíên nhất. Nhiệt được cung cấp chủ yếu bằng hơi nước quá nhiệt hoặc nước nóng tuần hoàn qua các đường ống hoặc bộ phận trao đổi nhiệt. Sự lưu thông không khí trong lò sấy được cung cấp bằng quạt. Nó giúp cho sự trao đổi nhiệt với bộ phận trao đổi nhiệt tốt hơn. Nguồn nhiệt cấp cho lò từ hệ thống nồi hơi sử dụng nhiên liệu chủ yếu là than đá, củi, gỗ phế loại. Ngày nay với trình độ khoa học công nghệ phát triển nhiều công nghệ sấy tiên tiến đang dần thay thế những công nghệ sấy cổ điển nhằm nâng cao