Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm mô hình sấy hành lá bằng năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt

BỘ CÔNG THƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRẦN TIẾN DŨNG NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VÀ THỰC NGHIỆM MƠ HÌNH SẤY HÀNH LÁ BẰNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP BƠM NHIỆT Chuyên ngành: KỸ THUẬT CƠ KHÍ Mã chuyên ngành: 60.520103 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2020 Cơng trình đƣợc hồn thành Trƣờng Đại học Cơng nghiệp TP HCM Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS Bùi Trung Thành Luận v n thạc s đƣợc ảo vệ Hội đồng chấm ảo vệ Luận v n thạc s Trƣờng Đại học Công nghiệp TP HCM ngày 21 tháng 11 n m 2020 Thành phần Hội đồng đánh giá luận v n thạc s gồm: TS Châu Minh Quang - Chủ tịch Hội đồng TS Trần Đình Anh Tuấn - Phản iện TS Phạm V n Việt - Phản iện PGS.TS Hoàng Anh Tuấn - Ủy viên TS Ao Hùng Linh - Thƣ ký CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƢỞNG KHOA CÔNG NGHỆ CƠ KHÍ BỘ CƠNG THƢƠNG CỘNG HÕA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP Độc lập - Tự - Hạnh phúc THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trần Tiến Dũng MSHV: 1700531 Ngày, tháng, n m sinh: 10/09/1994 Nơi sinh: Đ kL k Chuyên ngành: Mã chuyên ngành: 60.520103 Kỹ Thuật Cơ Khí I TÊN ĐỀ TÀI: “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thực nghiệm mơ hình sấy hành ằng n ng lƣợng mặt trời kết hợp ơm nhiệt” NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu tính tốn, thiết kế chế tạo đƣợc mơ hình sấy n ng lƣợng mặt trời kết hợp ơm nhiệt để sấy hành - Xây dựng đƣợc chế độ sấy hành ằng n ng lƣợng mặt trời kết hợp ơm nhiệt - Đƣa đƣơc chi phí tiêu thu điện n ng riêng sấy có kết hợp n ng lƣợng mặt trời ơm nhiệt II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 758/QĐ-ĐHCN ngày 05/04/2019 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/11/2020 IV NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Bùi Trung Thành Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2020 NGƢỜI HƢỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƢỞNG KHOA CƠNG NGHỆ CƠ KHÍ LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận v n cố gắng ản thân, tác giả đƣợc giúp đỡ lớn tinh thần chuyên môn ạn è, Thầy Cơ Chính tác giả xin gửi lời cám ơn chân thành đến: Thầy PGS.TS Bùi Trung Thành, Giảng viên cao cấp, khoa Công nghệ Nhiệt - Lạnh -Trƣờng Đại học Công nghiệp TP HCM ngƣời tận tình hƣớng dẫn tơi suốt q trình nghiên cứu hoàn thành luận v n Các Thầy, Cô khoa Nhiệt – Lạnh Trƣờng Đại học Công Nghiệp TP HCM nhiệt tình giúp đỡ góp ý mặt chun mơn, hỗ trợ dụng cụ thí nghiêm cho tác giả trình thực luận v n Thầy TS Đặng Hoàng Minh thầy cô phụ trách giảng dạy Sau Đại học Khoa Cơ khí nhiệt tình giảng dạy cho tác giả kiến thức ổ ích suốt q trình học tập trƣờng Tác giả xin gửi lời cảm ơn tới ạn lớp cao học Kỹ thuật Cơ khí khóa 2017 đồng hành, chia sẻ thơng tin q trình học tập i TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Việt Nam nƣớc có vị trí địa lý thuận lợi để khai thác nguồn n ng lƣợng mặt trời, số nắng n m tƣơng đối cao khoảng 1854 giờ/n m tiềm n ng từ nguồn n ng lƣợng mặt trời lớn Do việc ứng dụng n ng lƣợng mặt trời vào sấy vật liệu mang lại ý ngh a to lớn mặt tiết kiệm n ng lƣợng ảo vệ mơi trƣờng Luận v n trình ày kết đánh giá sử dụng n ng lƣợng mặt trời kết hợp ơm nhiệt để sấy hành với n ng suất kg/mẻ nhằm đƣa chế độ sấy hợp lý, chi phí tiêu thụ điện n ng riêng phƣơng pháp sấy n ng lƣợng mặt trời kết hợp ơm nhiệt Mơ hình sấy hành ằng n ng mặt trời kết hợp ơm nhiệt đƣợc chế tạo ao gồm thu gia nhiệt khơng khí có diện tích 1m2 với kết cấu thu dạng rãnh V Một thu gia nhiệt nƣớc nóng diện tích 1,5m2 với kết cấu ống thu dạng uốn cong đan xen với tổng chiều dài ống 15,4m Một ơm nhiệt có cơng suất 1HP Một dàn trao đổi nhiệt – khí sử dụng để làm nóng khơng khí nƣớc nóng có kích thƣớc 0,21m x 0,33m x 0,1m với kết cấu ống nhơm cánh tản nhiệt Buồng sấy có kết cấu khung sắt bọc tole xung quanh lớp cách nhiệt có độ dày 25mm Một quạt hút ly tâm có cơng suất 0,37kW Bình tích trữ nƣớc nóng thể tích 50 lít nhựa đƣợc bọc cách nhiệt dày 15mm Máy ơm nƣớc tuần hoàn cho hệ thống gia nhiệt nƣớc nóng có cơng suất 0,37kW Các đƣờng ống PVC đƣợc bọc cách nhiệt dày 0,15mm Các thí nghiệm đƣợc thiết lập ao gồm sấy ằng ộ gia nhiệt khơng khí (GNKK), Sấy ằng ơm nhiệt, sấy ằng nƣớc nóng tích trữ sấy kết hợp ằng ộ GNKK, sấy nƣớc nóng, ơm nhiệt Khi sấy ằng ộ GNKK vận tốc tác nhân sấy đƣợc thay đổi với vận tốc 0,5 m/s; 0,8 m/s; m/s, kết thực nghiệm cho thấy việc sấy hành vận tốc 0,8 m/s đạt hiệu cao với thời gian sấy 6,5h độ ẩm vật liệu đạt 11,1% Thời gian đầu sấy 10h đến 16h30, nhiệt độ TNS trung ình 38°C ii N ng lƣợng tiêu thụ riêng sấy gia nhiệt khơng khí, nƣớc nóng tích trữ, ơm nhiêt chế độ sấy kết hợp ( GNKK, nƣớc nóng tích trữ, ơm nhiệt) tƣơng ứng 2,4 (kWh/kg ẩm), 7,2 (Wh/kg ẩm), 10,8 (Wh/kg ẩm), 7,7 (Wh/ kg ẩm) Ta thấy sấy GNKK tiết kiệm 80% n ng lƣợng tiệu thụ so với ơm nhiệt, sấy kết hợp 40% sấy nƣớc nóng tích trữ 36% iii ABSTRACT Vietnam is a country with a very favorable geographical position to exploit solar energy, the number of sunny hours in a year is relatively high, about 1854 hours / year, so the potential from solar energy is huge Therefore, the application of solar energy in material drying brings great significance in terms of energy saving and environmental protection This thesis presents the evaluation results when using solar energy in combination with a heat pump to dry scallions with a yield of 1kg / batch in order to provide a reasonable drying regime, and the specific energy consumption of the method solar drying combined heat pump A solar-powered scallions drying model with a heat pump is made including an airheated collector with an area of 1m2 with V-groove plate structure A 1,5m2 area hot water collector with a curved tube structure and sheet interwoven with a total length tube of 15,4m A heat pump with a capacity of 1HP A heat-gas exchanger used to heat the air with hot water has dimensions of 0.21m x 0.33m x 0.1m with the structure of aluminum pipes and radiator fins The drying chamber has a structure of iron frame around tole and insulation layer with 25mm thickness A centrifugal exhaust fan with a capacity of 0,37kW 50 liter plastic hot water storage tank and insulated 15mm thick Recirculating water pump for hot water collection system has a capacity of 0.37kW PVC pipes are insulated 0.15mm thick The experiments set up included drying with an air heater, drying with a heat pump, drying with a stored hot water and a combined drying with an air heater, hot water drying, and a heat pump When drying with an air heater, the speed of the drying agent is changed at speeds of 0,5 m/s; 0,8 m/s; m/s, the experimental results showed that the drying of scallions at the speed of 0,8 m/s achieved the highest efficiency with a drying time of 6.5h, material moisture content of 11,1% The starting time of drying is 10 am to 16:30, the average temperature of drying agent is 38 ° C iv The specific energy consumption when drying by air heater, stored hot water, heat pump and combined drying mode is 2,4 (kWh/kg moisture), 7,2 (kWh/kg moisture), respectively 10,8 (kWh/kg moisture),7,7 (kWh/kg moisture) We see that when drying with the air heater, it saves 80% of energy consumption compared to the heat pump, 40% when combined with drying and 36% is drying with hot water v LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu ản thân Các kết nghiên cứu kết luận luận v n trung thực, không chép từ ất kỳ nguồn dƣới ất kỳ hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu (nếu có) đƣợc thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Học viên Trần Tiến Dũng vi MỤC LỤC MỤC LỤC vii DANH MỤC HÌNH ẢNH x DANH MỤC BẢNG BIỂU xii DANH MỤC KÝ HIỆU xiii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xvii MỞ ĐẦU 1 Đặt vần đề 2 Mục tiêu nghiên cứu 3 Nội dung thực đề tài 4 Giới hạn đề tài CHƢƠNG 1.1 TỔNG QUAN Tổng quan nghiên cứu sấy n ng lƣợng mặt trời, sấy ơm nhiệt kết hợp sấy n ng lƣợng mặt trời với ơm nhiệt 1.1.1 Tổng quan nghiên cứu sấy n ng lƣợng mặt trời 1.1.2 Tổng quan nghiên cứu sấy ơm nhiệt 12 1.1.3 Tổng quan nghiên cứu sấy n ng lƣợng mặt trời kết hợp ơm nhiệt 17 1.2 Khái quát kỹ thuật sấy vật liệu, ơm nhiệt n ng lƣợng mặt trời 19 1.2.1 Khái quát kỹ thuật sấy 19 1.2.2 Khái quát ơm nhiệt 22 1.2.3 Khái quát n ng lƣợng mặt trời 24 1.3 Khái quát vật liệu sấy 24 1.4 Kết luận chƣơng 26 CHƢƠNG CƠ SỞ LÝ THYẾT 27 2.1 Lý thuyết tính tốn sấy vật liệu 27 2.2 Lý thuyết tính tốn Bơm nhiệt 29 2.2.1 Quá trình sấy lạnh ơm nhiệt hồi lƣu tồn phần khí thải 29 2.2.2 Quá trình sấy lạnh ơm nhiệt thải khí sau uồng sấy 35 2.3 Lý thuyết tính tốn n ng lƣợng mặt trời 38 vii  0,323 0,323   0,041 0,25 0,07 d Re 0,114 7247,60,25 0,07 Vậy: l. ω2 1,5.1,128.1,082  Pms    0,062  0,54 (Pa) d 0,114.2 - Tổn thất cục + Tại co trơn 90ᴼ Ta có R = 80mm, D = 114 mm Do ξ = 0,4 [28] Tổn thất cục co đƣợc xác định theo công thức + Tại gió mở rộng đột ngột Hình thể kích thƣớc gió mở rộng đột ngột 133 Ta có tỉ số Theo [28] ta chọn ξ = 0,86 + Tại gió thu hẹp đột ngột Ta có tỉ số Theo [28] ta chọn ξ = 0,43 Vậy ta có tổng trở lực cục Tổng tổn thất hệ thống Ta có cơng suất quạt đƣợc tính theo cơng thức sau [20] 134 Nq  k V 0  P 41,12.1,11.3,89  1,  1,3.103 kW=1,3 W 3600.102. q 3600.102.1,128.0, Trong đó:  = 1,128 (kg/m ): Khối lƣợng riêng khơng khí 40°C  = 1,11 (kg/m3): Khối lƣợng riêng khơng khí điều kiện tiêu chuẩn Vk = 41,12 (m3/h): Lƣu lƣợng TNS qua buồng sấy  P = 3,89(mmH2O): Tổng trở lực mà quạt phải khắc phục  q = 0,4: Hiệu suất quạt kq = 1,2: Hệ số dự phòng Thực tế sử dụng quạt lý tâm có cơng suất 370W số vịng quay 2850 vòng/phút Phụ lục Xác định thời gian sấy NLMT ngày Tác giả thực thí nghiệm sấy không tải để xác định khoảng thời gian phù hợp ngày sấy NLMT đánh giá độ hoạt động ổn định mơ hình Thí nghiệm đƣợc thực ngày thời gian đo đầu từ 8h sáng đến 17h chiều Các thông số đƣợc đo ao gồm: Bức xạ mặt trời, nhiệt độ môi trƣờng, nhiệt độ TNS Các thông số đƣợc đo ghi lại sau 60 phút.Vận tốc TNS đƣợc chọn 1,5m/s Bảng số liệu đo ngày 16/03/2020 Thời gian Nhiệt độ MT Nhiệt độ TNS Bức xạ mặt trời (°C) (°C) (W/m2) 8h 29 30 220 9h 30 32 180 10h 35 40 640 135 11h 37 42 837 12h 38 44 904 13h 39 44 875 14h 39 44 805 15h 37 43 575 16h 36 39 345 17h 34 36 260 136 Bảng số liệu đo ngày 17/03/2020 Thời gian Nhiệt độ MT Nhiệt độ TNS Bức xạ mặt trời (°C) (°C) (W/m2) 8h 30 33 290 9h 32 36 410 10h 33 38 710 11h 35 42 830 12h 36 45 865 13h 38 46 868 14h 38 46 842 15h 35 40 508 16h 34 39 386 17h 33 35 320 Bảng số liệu đo ngày 19/03/2020 Thời gian Nhiệt độ MT Nhiệt độ TNS Bức xạ mặt trời (°C) (°C) (W/m2) 8h 29 31 353 9h 30 33 582 10h 32 36 352 11h 34 40 860 12h 36 43 951 13h 37 47 980 14h 38 46 778 15h 36 42 606 16h 34 40 342 17h 34 36 268 137 Phụ lục Thực nghiệm xác định độ dày hành khay sấy Phƣơng pháp xác định - Thể tích hành đƣợc xác định phƣơng pháp đong Khối lƣợng mẫu xác định cách cân cân điện tử CAS-01 - Ca đong tích V0 (cm3), khối lƣợng mca (g) - Cho hành vào ca đong ằng cách thả tự từ miệng ca, sau dùng thƣớc thẳng gạt mặt Cân đƣợc khối lƣợng mhl (g) - Khi khối lƣợng thể tích hành ( ⁄ ) Cách thực - Hành tƣơi đƣợc loại bỏ phẩn củ, hỏng sau đƣợc cắt khúc 5-10 mm Hình ảnh Chuẩn bị hành - Ca đong có chia vạch thể tích V0 = 1,5.10-3(m3), khối lƣợng mca =9.10-2(kg) 138 Hình ảnh ca đong có chia vạch Ta thực đo lần số liệu đƣợc ghi ảng sau Bảng số liệu xác định khối lƣợng thể tích Lần đo Khối lƣợng mhl Khối lƣợng thể tích (kg) 01 0,345 170 02 0,342 168 03 0,347 171 ( ⁄ ⁄ ) ) Ta lấy giá trị trung ình lần đo ( Vậy khối lƣợng thể tích hành thí nghiệm 139 ( ⁄ ) Hình ảnh thực cân khối lƣợng cân điện tử Xác định độ dày hành khay sấy - Số lƣợng khay 04, kích thƣớc khay 0,4x0,4m; khối lƣợng hành mẻ sấy 1kg - Khối lƣợng hành khay - Thể tích hành khay - Độ dày lớp hành khay 140 Phụ lục Kết thiết lập phƣơng trình hồi quy phần mềm STATGRAPHICS MATLAB  Thiết lập phƣơng trình dự đốn độ c ẩm theo thời gian sấy gia nhiệt khơng khí bẳng phần mềm STATGRAPHICS: + Vận tốc TNS 0,5 m/s Comparison of Alternative Models Model Correlation R-Squared Square root-Y squared-X ,9978 99,56% Logarithmic-Y squared-X ,9966 99,33% Squared-X ,9903 98,08% Squared-Y ,9861 97,25% Linear ,9796 95,97% Square root-Y ,9671 93,53% Reciprocal-Y squared-X ,9633 92,79% Double squared ,9607 92,30% Exponential ,9460 89,48% Squared-Y square root-X ,9185 84,36% Square root-X ,8854 78,39% Reciprocal-Y ,8780 Logarithmic-Y square root-X Reciprocal-Y square root-X 77,09% ,8272 ,7439 68,43% 55,33% The StatAdvisor This table shows the results of fitting several curvilinear models to the data Of the models fitted, the square root-Y squared-X model yields the highest R-Squared value with 99,5605% This is the currently selected model 141 Do am vat lieu theo thoi gian v=1.1m/s M = (9,5 - 0.12*t^2)^2 100 90 80 Do am (%) 70 60 50 40 30 20 10 Thoi gian (Gio) + Vận tốc TNS 0,8 m/s Comparison of Alternative Models Model Correlation R-Squared Square root-Y squared-X ,9976 99,52% Logarithmic-Y squared-X ,9924 98,48% Linear ,9897 97,95% Squared-Y ,9868 97,38% Squared-X ,9846 96,94% Square root-Y ,9743 94,92% Squared-Y square root-X ,9433 88,98% Exponential ,9403 88,41% Double squared ,9347 87,38% Reciprocal-Y squared-X ,9190 84,46% Square root-X ,9088 82,60% Logarithmic-Y square root-X ,8236 67,83% The StatAdvisor This table shows the results of fitting several curvilinear models to the data Of the models fitted, the square root-Y squared-X model yields the highest R-Squared value with 99,5161% This is the currently selected model 142 Do am vat lieu theo thoi gian v=0.8m/s M = (9.5 - 0.14*t^2)^2 100 90 80 Do am (%) 70 60 50 40 30 20 10 Thoi gian (Gio) + Vận tốc TNS 1,1 m/s Comparison of Alternative Models Model Correlation Logarithmic-Y squared-X ,9967 Reciprocal-Y squared-X ,9936 R-Squared 99,33% 98,72% Linear ,9923 98,47% Square root-Y squared-X ,9883 97,67% Squared-Y ,9880 97,62% Square root-Y ,9878 97,58% Exponential ,9776 95,57% Squared-X ,9745 94,96% Squared-Y square root-X ,9441 89,14% Reciprocal-Y ,9395 88,27% Double squared ,9369 87,79% Square root-X ,9210 84,83% Logarithmic-Y square root-X ,8798 77,41% Reciprocal-Y square root-X ,8206 67,34% The StatAdvisor This table shows the results of fitting several curvilinear models to the data Of the models fitted, the logarithmic-Y squared-X model yields the highest R-Squared value with 99,3318% This is the currently selected model 143 Do am vat lieu theo thoi gian v=1.1m/s M = exp(4,5 - 0.28*t^2) 100 90 80 Do am (%) 70 60 50 40 30 20 10 Thoi gian (Gio)  Thiết lập phƣơng trình hồi quy cho tốc độ sấy tƣơng ứng với vận tốc TNS giai đoạn sấy giảm tốc công cụ Curve Fitting Tool MATLAB + Vận tốc TNS 0,5 m/s + Vận tốc TNS 0,8 m/s 144 + Vận tốc TNS 1,1 m/s 145 Phụ lục Một số hình ảnh trình thực nghiệm 146 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ tên: Trần Tiến Dũng Giới tính: Nam Ngày, tháng, n m sinh: 10/09/1994 Nơi sinh: Đ kL k Email: Điện thoại: 0989016146 Trantiendung1009@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2012 đến 11/2016 Nơi học: Trƣờng Đại học Công Nghiệp TP HCM Ngành học: Kỹ thuật Cơ khí Thạc s : Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo: 09/2017 đến 05/2020 Nơi học (trƣờng, thành phố): Trƣờng Đại học Công Ngiệp TP HCM Ngành học: Kỹ Thuật Cơ Khí III Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN: Thời gian Nơi cơng tác Cơng việc đảm nhiệm 2015-2017 Công ty CP xây dựng kiến trúc AA Nhân viên kỹ thuật Corporation 2017-2018 Công ty TNHH Cơ Khí Anpha 2019-đến Cơng ty Chế Tạo Máy Tự Động Nhân viên kỹ thuật Trƣởng phòng kỹ thuật Hóa Sài Gịn Tp HCM, ngày tháng Năm 2020 Ngƣời khai (Ký tên) 146 ... ĐỀ TÀI: ? ?Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo thực nghiệm mơ hình sấy hành ằng n ng lƣợng mặt trời kết hợp ơm nhiệt? ?? NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Nghiên cứu tính tốn, thiết kế chế tạo đƣợc mơ hình sấy n ng... lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt? ?? Mục tiêu nghiên cứu - Nghiên cứu tính tốn, thiết kế chế tạo đƣợc mơ hình sấy n ng lƣợng mặt trời kết hợp ơm nhiệt để sấy hành - Xây dựng đƣợc chế độ sấy hành. .. lƣợng mặt trời kết hợp ơm nhiệt để sấy hành - Xây dựng đƣợc chế độ sấy hành ằng n ng lƣợng mặt trời kết hợp ơm nhiệt - Đƣa đƣơc chi phí tiêu thu điện n ng riêng sấy có kết hợp n ng lƣợng mặt trời