3.4.1. Nõng cao lượng nhiệt thu hồi tại dàn lạnh
Hiệu quả toàn diện của hệ thống sấy bơm nhiệt cú thể đỏnh giỏ bởi nhiều tiờu chớ: COP, SMER và lượng nhiệt thu hồi tại dàn lạnh. Mụi trường xung quanh là khụng khớ bao gồm khụng khớ khụ và ẩm, cũn dàn lạnh trong hệ thống sấy bơm nhiệt làm nhiệm vụ khử ẩm và giảm nhiệt độ khụng khớ. Như vậy, lượng nhiệt thu hồi tại dàn lạnh bao gồm lượng nhiệt ẩn và lượng nhiệt hiện, lượng nhiệt ẩn là lượng nhiệt thu hồi khi tỏch ẩm trong khụng khớ cũn lượng nhiệt hiện là lượng nhiệt thu hồi khi làm lạnh khụng khớ.
Khi phõn tớch hiệu quả của mỏy lạnh khử ẩm, C.G Carrington đó chỉ ra nguyờn tắc cơ bản để cải thiện lượng nhiệt thu hồi là tăng tỉ lệ lượng nhiệt ẩn trờn tổng lượng nhiệt. Tổng lượng nhiệt của khụng khớ ẩm cú khối lượng khụ 1kg, dung ẩm d kg/kg, tại nhiệt độ t 0C theo [7] là:
pk 0 ph pk ph 0
IC .td r C .t C C tr .d,kJ/kg (3.8)
Lượng nhiệt hiện là: SHCpkCph.t Lượng nhiệt ẩn là: LHr .d0
Túm lại, hiệu quả làm việc của hệ thống sấy bơm nhiệt cũn được đỏnh giỏ qua khả năng khử ẩm của dàn lạnh hay cũn gọi là khả năng nõng cao lượng nhiệt ẩn trờn tổng lượng nhiệt thu hồi của dàn lạnh.
Để thực hiện khả năng khử ẩm của dàn lạnh thỡ nhiệt độ bề mặt của nú phải nhỏ hơn nhiệt độ điểm sương của khụng khớ. Nếu chỉ cú một dàn lạnh thỡ toàn bộ mụi chất lỏng bay hơi trong dàn bay hơi ở nhiệt độ t0 < ts để thu hồi cả nhiệt ẩn và nhiệt hiện.
41
Hỡnh 3.5. Quỏ trỡnh thu nhiệt từ khụng khớ của hệ thống một và hai nhiệt độ sụi
Nhưng khi cú hai dàn bay hơi với hai nhiệt độ sụi, thỡ dàn HPE với t01 sẽ đảm nhiệm một phần tải lạnh để làm lạnh khụng khớ xuống điểm sương, bằng cỏch này LPE với t02 < ts cú thể dành nhiều bề mặt trao đổi nhiệt của nú hơn để thu hồi lượng nhiệt ẩn. Như vậy, sự nõng cao lượng nhiệt thu hồi của hệ thống hai dàn bay hơi được cải thiện nhờ bề mặt trao đổi nhiệt được mở rộng. Theo [16], tổng lượng nhiệt được thu hồi qua hệ thống lạnh này cao hơn 35% so với hệ thống lạnh chỉ cú một dàn bay hơi.
3.4.2. Nõng cao hệ số hiệu quả
Theo (1.5) ta cú hệ số hiệu quả của HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sụi:
01 02 kt h e mn Q Q Q Q COP N L (3.9) Ở đõy:
Lmn: cụng tiờu hao cho mỏy nộn, kW.
Đối với HT này, chỉ cần tiờu tốn dũng năng lượng Lmn ta được cả năng suất lạnh Q01, Q02 và năng suất nhiệt Qk như mong muốn. Mặt khỏc, năng lượng thu được cũng bao gồm cả lượng nhiệt thu hồi. Vỡ vậy, cú thể núi rằng COP của HTS này cao hơn HTS bơm nhiệt chỉ cú một dàn bay hơi.
3.4.3. Tiết kiệm năng lượng nhờ điều chỉnh năng suất lạnh Q0
Nhu cầu năng suất lạnh của TNS
Hai dàn bay hơi Một dàn bay hơi
HPE LPE ts t3 t02 t2 t3 t02 F t t t2 01 t
42
TNS cần một lượng năng suất lạnh tại dàn bay hơi khử ẩm và giảm nhiệt độ. Tuy nhiờn, trong suốt thời gian của một mẻ sấy nhu cầu về năng suất lạnh này thay đổi khỏ nhiều. Thời gian đầu, khụng khớ cần năng suất lạnh lớn để tỏch ẩm nhiều, lượng ẩm này bao gồm lượng ẩm khụng khớ nhận từ vật liệu sấy lẫn lượng ẩm cú sẵn trong khụng khớ đầu vào. Thờm vào đú nhiệt độ trong buồng sấy cũn cao, nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ khụng khớ đầu vào cao nờn dàn bay hơi cung cấp hết năng suất của mỡnh, hệ thống chạy đầy tải.
Q0
t
Hỡnh 3.6. Nhu cầu năng suất lạnh thay đổi theo thời gian
Nhưng theo thời gian, lượng ẩm tỏch được trong vật liệu giảm vỡ lượng ẩm tồn tại trong vật liệu giảm đồng thời tốc độ ẩm thoỏt khỏi vật liệu cũng giảm. Do vậy, lượng ẩm trong khụng khớ cũng giảm theo thời gian. Do lượng ẩm trong khụng khớ cũng giảm theo thời gian nờn lượng năng suất lạnh hữu ớch để làm nhiệm vụ tỏch ẩm trong khụng khớ cũng giảm. Ta cú cụng thức sau Q0hệthống = Q0hữuớch + Q0dưthừa. Thành phần Q0hữuớch giảm theo thời gian được biểu diễn trong hỡnh 3.5. Nếu như hệ thống vẫn chạy đầy tải cú nghĩa là Q0 hệ thống khụng đổi, thỡ thành phần Q0 dư thừa sẽ tăng lờn. Thành phần Q0 dư thừa này sẽ làm giảm nhiệt độ khụng khớ sau khi đi qua dàn lạnh. Đến gần cuối mẻ sấy, năng suất lạnh thừa làm giảm nhiệt độ buồng sấy dưới mức quy định thỡ đụi khi cũn phải dựng điện trở sưởi.
Khả năng điều chỉnh Q0 của hai dàn bay hơi
Theo phõn tớch ở trờn thỡ khi năng suất lạnh giảm, ta cần điều chỉnh lại năng suất lạnh. Một trong những ưu điểm của hai dàn bay hơi mắc song song so với nối tiếp là mụi chất khụng phải bắt buộc đi lần lượt qua từng dàn. Lợi dụng ưu điểm đú, ta cú thể cho mụi chất chỉ đi qua dàn bay hơi ỏp cao bằng cỏch mắc thờm van điện từ vào dàn bay hơi ỏp thấp và ngược
43
lại. Giả sử ta ngắt mụi chất khụng vào dàn ỏp thấp nữa.Khi mụi chất đi toàn bộ qua dàn bay hơi cao ỏp sau đú lại được tiết lưu xuống ỏp thấp qua van KVP sẽ tạo ra được hiệu ứng “ Tiết lưu hơi hỳt” (theo [4]). Chớnh hiệu ứng này sẽ điều chỉnh năng suất lạnh mỏy nộn. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Q0 t Q0 t Qcấp Qcấp Qcấp
Qyêu cầu Qyêu cầu
Hỡnh 3.7. Khả năng điều chỉnh năng suất lạnh của hai dàn bay hơi
Năng suất lạnh của mỏy nộn được tớnh theo biểu thức:
lt 0 0 0 1 V Q m.q . .q v (3.10)
m: lưu lượng mụi chất qua mỏy nộn, kg/s;
: hệ số cấp;
Vlt: thể tớch hỳt lý thuyết, m3/s;
q0: năng suất lạnh riờng khối lượng, kJ/kg; v1 : thể tớch riờng hơi hỳt về mỏy nộn, m3/kg.
44 Van KVP Van 1 chiều BH ỏp thấp (LPE) BH ỏp cao (HPE) TL1 TL2 Hoà trộn VĐT
Hỡnh 3.8. Sơ đồ thiết bị chu trỡnh tiết lưu hơi hỳt
Để điều chỉnh năng suất lạnh cú thể thay đổi v1 và . Khi tiết lưu hơi hỳt v1 tăng lờn,
giảm nờn m giảm và Q0 giảm. Hỡnh 3.8 mụ tả chu trỡnh tiết lưu hơi hỳt trờn đồ thị lgp-h và biểu đồ năng suất lạnh phụ thuộc hiệu ỏp suất hỳt ph.
2 3 4 1' 1 lgP h p k po po' p h ph áp suất p 0 25 50 75 100
Hỡnh 3.9. Chu trỡnh tiết lưu hơi hỳt và biểu đồ năng suất lạnh phụ thuộc vào ỏp suất hỳt đặt trờn van KVP
Tại vị trớ 100% năng suất lạnh, hiệu ỏp suất ph là tổn thất ỏp suất ngay trong dàn bay hơi. Khi điều chỉnh ph xuống, năng suất lạnh giảm tương ứng. Vớ dụ, khi mở hoàn toàn van KVP năng suất lạnh đạt 100%. Khi điều chỉnh ỏp suất hỳt trờn van KVP xuống ph1 ỏp suất sụi
45
giảm xuống p01 và năng suất lạnh giảm xuống cũn 75%, khi điều chỉnh ph xuống ph2 ỏp suất sụi giảm xuống p02 và năng suất lạnh cũn 50%. Phương phỏp này đơn giản dễ thực hiện, dễ lắp đặt và bảo dưỡng. Tuy nhiờn, lại làm tổn thất tiết lưu lớn hệ số lạnh giảm.
Tớnh linh hoạt của hệ thống sấy
Một lợi ớch khụng kộm phần quan trọng của hệ thống lạnh hai dàn bay hơi là tạo ra được hai nhiệt độ sụi để cú thể cung cấp cho hai dũng khụng khớ với nhiệt độ và độ ẩm khỏc nhau. Do đú, một hệ thống sấy đảm bảo được sự linh hoạt đa dạng cho một phũng sấy đa chức năng nơi mà cú hai hoặc nhiều hơn cỏc sản phẩm khỏc nhau với yờu cầu điều kiện sấy khỏc nhau cú thể được sấy chỉ bằng một hệ thống bơm nhiệt duy nhất.
Mặt khỏc, bằng cỏch lắp thờm van điện từ vào cỏc dàn lạnh và cỏc dàn ngưng ta cú thể điều chỉnh được dũng mụi chất một cỏch dễ dàng. Từ đú cú thể thực hiện cỏc chu trỡnh khỏc nhau như ngắt HPE, ngắt LPE, ngắt dàn ngưng ngoài,…để điều chỉnh thụng số TNS sau khi đi qua dàn lạnh.
3.4.4 Điều chỉnh thụng số tỏc nhõn sấy sau khi đi qua dàn lạnh
Nụng sản thực phẩm được xếp vào loại vậy liệu keo xốp mao dẫn. Trong suốt quỏ trỡnh sấy, ẩm bay hơi từ bề mặt, cỏc lỗ mao dẫn và rời khỏi vật liệu do sự chờnh lệch phõn ỏp suất hơi nước giữa bề mặt vật liệu và khụng khớ xung quanh. Tốc độ bay hơi ẩm trong cả quỏ trỡnh diễn ra rất phức tạp. Theo [1] quỏ trỡnh sấy xảy ra theo ba giai đoạn: giai đoạn làm núng vật, giai đoạn sấy tốc độ khụng đổi và giai đoạn sấy tốc độ giảm dần. Tuy nhiờn giai đoạn thứ nhất thường xẩy ra rất nhanh so với hai giai đoạn kế tiếp nờn trong nhiều trường hợp người ta chia quỏ trỡnh sấy thành hai giai doạn: giai đoạn sấy tốc độ khụng đổi và giai đoạn sấy tốc độ giảm dần.
Trong thời gian đầu, thủy phần M của VLS giảm theo một đường tuyến tớnh, đú là giai đoạn tốc độ sấy khụng đổi. Sau đú, thủy phần giảm theo đường phi tuyến cho đến khi đạt trạng thỏi cõn bằng tại Mcb thỡ quỏ trỡnh sấy dừng lại, đú là giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Phần ẩm tự do được tỏch ra là MM M cb.Giai đoạn tốc độ sấy khụng đổi xuất hiện khi tốc độ ẩm bay hơi tại bề mặt nhỏ hơn hoặc bằng tốc độ ẩm chuyển từ trong lũng vật liệu ra bề
46
mặt. Kết thỳc giai đoạn này chuyển sang giai đoạn sấy tốc độ khụng đổi - ẩm tự to đó bay hết, cũn lại trong VLS là ẩm liờn kết. Năng lượng để bay hơi ẩm liờn kết lớn hơn so với ẩm tự do và càng tăng khi độ ẩm của vật càng nhỏ. Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ khụng đổi và giảm dần theo thời gian.
Trong chế độ sấy theo mẻ thỡ TNS (khụng khớ) thực nhận ẩm của VLS trong buồng sấy và lượng ẩm đú được khử sau khi đi qua dàn lạnh. Năng suất lạnh được tớnh toỏn thiết kế cho dàn lạnh để khử lượng ẩm mà khụng khớ nhận sau khi đi qua buồng sấy. Vỡ tốc độ nhận ẩm của khụng khớ thay đổi theo thời gian, về cuối quỏ trỡnh tốc độ đú giảm nhiều đú, nờn nếu duy trỡ hoạt động của dàn lạnh hay tốc độ tỏch ẩm của dàn lạnh khụng đổi thỡ sẽ xẩy ra hiện tượng mất cõn bằng dũng tuần hoàn ẩm (lượng ẩm thu được trong buồng sấy giảm mà lượng ẩm khử trong dàn lạnh khụng đổi, càng về sau khụng khớ sau khi đi qua dàn lạnh càng bị khụ). Khi khụng khớ bị khụ thỡ dần dần động lực sấy tăng cao, điều này sẽ gõy nứt nẻ trờn bề mặt VLS. Vỡ vậy việc điều chỉnh lại khụng khớ sau khi đi qua dàn là cần thiết nhằm hạn chế hiện tượng trờn, phự hợp với đặc tớnh của quỏ trỡnh sấy theo mẻ.
Với HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sụi, cú thể cú nhiều phương phỏp để điều chỉnh thụng số TNS sau khi đi qua dàn lạnh. Sau đõy là một vài phương phỏp để điều chỉnh thụng số TNS
a) Bypass tỏc nhõn sấy
Trong nhiều HTS việc điều chỉnh độ ẩm của khụng khớ trước khi vào buồng sấy là rất cần thiết để đảm bảo chất lượng của sản phẩm. Một phương phỏp thường hay được sử dụng là dựng bypass – tỉ lệ phần trăm khụng khớ khụ đi tắt qua dàn bay hơi. Khi tiến hành bypass thỡ khụng khớ tại buồng sấy tại điểm 2 chia làm hai phần, một phần đi qua dàn lạnh để khử ẩm, một phần khụng qua dàn lạnh. Sau đú hai phần này sẽ hũa trộn với nhau tại điểm 5. Sơ đồ tuần hoàn khụng khớ cú bypass cho trong hỡnh 3.10. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
47 Không gian sấy
HPE LPE DànNT trong Dàn NT ngoài Bypass 1' 5 4 3 2 Quạt
Hỡnh 3.10. Sơ đồ tuần hoàn khụng khớ cú bypass
Như vậy, sau quỏ trỡnh hũa trộn thỡ độ chứa ẩm của khụng khớ tăng lờn, khụng khớ bớt khụ do chớnh lượng ẩm khụng được khử từ dũng khụng khớ bypass.
2 3 4 5 1' h d (kg/kgkk) = 100% t t t t t t 1 2 3 5 4 2' 1 2'
Hỡnh 3.11. Đồ thị h-d biểu diễn chu trỡnh TNS cú bypass
1-2-3-4: Quỏ trỡnh sấy thường, 1’-2’-3-4-5: Quỏ trỡnh sấy cú bypass
Trờn đồ thị, điểm 5 (điểm khụng khớ hũa trộn giữa khụng khớ bypass và khụng khớ đi qua dàn lạnh) cú độ chứa ẩm lớn hơn điểm 4 (điểm khụng khớ qua dàn lạnh). Điểm 1’ (điểm khụng khớ vào buồng sấy) cú thế sấy nhỏ hơn điểm 1, nờn quỏ trỡnh trao đổi nhiệt ẩm giữa
48
khụng khớ với vật liệu sấy trong quỏ trỡnh này được tiến hành chậm hơn hay chế độ sấy dịu đi. Tuy nhiờn, tỉ lệ khụng khớ này cú cũng ảnh hưởng khỏ lớn đến hiệu quả của HTS.Đối với HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sụi, khụng khớ đi qua lần lươt HPE, LPE cú tỏc dụng thu hồi lượng nhiệt ẩn của khụng khớ ẩm thỡ sự thay đổi lưu lượng của khụng khớ qua dàn bay hơi sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả của bơm nhiệt. Theo [16], khi tỉ lệ khụng khớ đi tắt qua dàn bay hơi tăng lờn vượt quỏ mức giới hạn, tổng lượng nhiệt thu hồi tại cỏc dàn bay hơi sẽ bị giảm xuống. Tăng tỉ lệ bypass từng mức một từ 20% đến 40%, lượng nhiệt thu hồi sẽ giảm dao động trong khoảng 0,6 đến 0,8 kW. Một lượng nhỏ hơn của lượng nhiệt thu hồi đồng nghĩa với giảm COP và SMER. SMER cú thể bị ảnh hưởng bởi hai yếu tố: thứ nhất, cụng nộn cung cấp lượng nhiệt hiện cho dàn ngưng cao làm tăng tiờu thụ năng lượng; thứ hai, khụng khớ chứa nhiều ẩm sẽ làm giảm thế sấy kết quả là lượng ẩm hấp thụ được sẽ kộm đi. Vỡ vậy, dựa trờn cỏc dữ liệu thu được, SMER bị ảnh hưởng tương đối lớn bởi tỉ lệ bypass qua dàn bay hơi. Mặt khỏc, cả sự truyền nhiệt và hệ số trao đổi nhiệt trong dàn bay hơi sau đú sẽ giảm xuống do giảm lưu lượng dũng mụi chất và tốc độ khụng khớ qua dàn bay hơi. Do đú, việc sử dụng bypass cú thể điều chỉnh độ ẩm của khụng khớ nhưng nếu bypass lớn (hơn 20%) sẽ dẫn đến kết quả khụng mong muốn là làm giảm hiệu quả hệ thống.
b) Điều chỉnh hoạt động của cỏc dàn bay hơi và dàn ngưng tụ
Một trong những ưu điểm của HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sụi so với HTS bơm nhiệt cú một nhiệt độ sụi là cú thể tạo được cỏc chu trỡnh lạnh khỏc nhau bằng cỏch lắp thờm van điện từ trước cỏc dàn lạnh và dàn ngưng. Đõy cũng là một phương phỏp để thay đổi nhiệt độ, độ ẩm TNS. Cỏc chu trỡnh lạnh đú là:
- Cả bốn dàn hoạt động: HPE, LPE, dàn ngưng trong và dàn ngưng ngoài. - Ngắt HPE, cho ba dàn cũn lại hoạt động.
- Ngắt HPE và dàn ngưng ngoài, cho hai dàn cũn lại hoạt động. - Ngắt LPE, cho ba dàn cũn lại hoạt động.
- Ngắt LPE và dàn ngưng ngoài, cho hai dàn cũn lại hoạt động. - Ngắt dàn ngưng ngoài, cho ba dàn cũn lại hoạt động.
49
c) Điều chỉnh ỏp suất dàn bay hơi ỏp suất cao
Một phương phỏp khỏc để điều chỉnh nhiệt độ, độ ẩm TNS là điều chỉnh ỏp suất của HPE. Điều này được thực hiện bằng cỏch điều chỉnh độ mở của van tiết lưu để tiết lưu dũng mụi chất xuống HPE và nhờ đú ỏp suất của mụi chất lạnh đầu vào dàn bay hơi được thay đổi. Theo [16] cho thấy rằng khi nhiệt độ bề mặt của dàn bay hơi giảm xuống, độ ẩm tuyệt đối của khụng khớ giảm dần. Sự giảm độ ẩm tuyệt đối của khụng khớ quan trọng hơn sự giảm nhiệt độ khụng khớ vào. Khi nhiệt độ khụng khớ vào thấp, một phần nhỏ của HPE sẽ làm nhiệm vụ làm