5.1 Khái niệm bơm nhiệt :
Máy bơm nhiệt (Tiếng Anh: heat pump, Tiếng Pháp: pompe à chaleur) là một thiết bị
hoạt động theo nguyên lý Nhiệt động lực học nhằm mục đích vận chuyển một nhiệt lượng từmơi trường này sang môi trường khác. Một máy bơm nhiệt thông thường chỉ cho phép nhiệt lượng di chuyển theo một chiều cố định (từ "nóng" sang "lạnh" hoặc ngược lại), ví dụ như lò sưởi, tủ lạnh... Loại máy bơm nhiệt cho phép điều chỉnh và lựa chọn chiều di
chuyển của nhiệt lượng được gọi là Máy bơm nhiệt thuận nghịch.Máy bơm nhiệt chủ yếu
được sử dụng cho hệ thống sưởi trong phạm vi gia đình. Trong phạm vi lớn hơn, tại các
đơn vị không trực tiếp tham gia sản xuất (ví dụ như văn phịng), người ta sử dụng máy
bơm nhiệt thuận nghịch đểsưởi ấm trong mùa đơng và làm mát trong mùa hè.
5.2 Lịch sử hình thành phát triển của bơm nhiệt :
Bơm nhiệt có quá trình phát triển lâu dài, bắt đầu từkhi Nicholas Carnot đề xuất những khái niệm chung đầu tiên. Một dịng nhiệt thơng thường di chuyển từ một vùng nóng đến một vùng lạnh, Carnot đưa ra lập luận rằng một thiết bị có thể được sử dụng để đảo ngược quá trình tự nhiên và bơm nhiệt sẽ điều chỉnh dịng nhiệt từ một vùng lạnh đến một vùng ấm hơn.
SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 65
Đầu những năm 1850, Lord Kelvin đã phát triển các lý thuyết vềbơm nhiệt bằng cách lập luận rằng các thiết bị làm lạnh có thể được sử dụng để gia nhiệt. Các nhà khoa học và các kỹsư đã cố gắng chế tạo ra một bơm nhiệt nhưng khơng một mơ hình nào thành cơng cho
đến giữa những năm 30 khi những bơm nhiệt sử dụng theo mục đích cá nhân được lắp
đặt. Việc lắp đặt các bơm nhiệt gia tăng đáng kể sau thế chiến II, người ta nhận thấy rằng bơm nhiệt có thểđược thương mại hóa nếu hồn tất lý thuyết và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Sản phẩm bơm nhiệt đầu tiên được bán vào năm 1952.
Từ khi xẩy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ70, bơm nhiệt lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới. Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cở cho các ứng dụng khác
nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thịtrường. Ngày nay, bơm
nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hịa khơng khí, sấy, hút ẩm, đun
nước…
Hình 5.1 :Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt 5.3 Hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt : 5.3 Hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt :
SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 66 Sự thay đổi môi trường trong những năm gần đây, đặc biệt những năm cuối thế kỉ rất
đáng lo ngại. Những bước tiến nhanh chóng của khoa học và kỹ thuật, cùng với sự thay đổi toàn diện về lối sống của xã hội hiện đại, đã gây nên sự tổn hại to lớn đối với các nguồn tài nguyên cũng như đối với sự cân bằng sinh thái. Hiện tại, những yêu cầu đặt ra
đối với nền văn minh hiện đại là việc thõa mãn nhu cầu ngày càng cao đối với các nguồn năng lượng đang cạn kiệt trên trái đất. Sự phát triển của kỹ thuật và nghiên cứu khoa học tự nhiên có thể sẽ mang lại câu trả lời thõa đáng nhất. Trọng tâm hiện nay là sựthay đổi dần dần theo hướng đòi hỏi đáp ứng cả vấn đề cân bằng sinh thái và môi trường sống. Sấy là một thiết bị hoạt động chủ yếu trong ngành thực phẩm - nông nghiệp, nó gây nên sự ơ nhiễm rất lớn đối với mơi trường. Việc khử từng phần hay tồn bộnước từ vật liệu là rất phức tạp và yêu cầu một nguồn lượng năng lượng lớn. Các yếu tốảnh hưởng đến quá
trình này như thời gian chu trình, chất lượng sản phẩm, độ cảm nhiệt, vv... Kỹ thuật sấy có thểđáp ứng được cả yêu cầu về kinh tế và bảo vệmôi trường sống phát triển rất chậm bởi nhiều yếu tố. Việc ứng dụng nghiên cứu sử dụng bơm nhiệt trong quá trình sấy được chú ý, từ đó tìm ra các ứng dụng khác nhau của kỹ thuật sấy lạnh sử dụng để thay thế
những phương pháp sấy truyền thống từđó đem đến những lợi ích trong tương lại. Trong một máy sấy đối lưu khơng khí nóng, khơng khí được gia nhiệt lên đến nhiệt độ
sấy (bằng cách sử dụng bộ gia nhiệt điện hoặc bộ gia nhiệt sử dụng nhiên liệu) để làm
tăng tốc độ truyền nhiệt trong quá trình sấy. Điều này làm tăng áp suất hơi nước bên
ngoài và tốc độ khuếch tán ẩm trong trong vật liệu theo hướng thoát ra bề mặt vật liệu, từ đó lượng ẩm này sẽ khếch tán vào trong dịng tác nhân sấy. Trong mơi trường đối lưu, độ ẩm tuyệt đối của tác nhân sấy phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Việc sử dụng bơm
nhiệt để hút ẩm trong q trình sấy hồn tồn có thểđiều khiển hoàn toàn cả thành phần
ẩm và nhiệt độ tác nhân sấy, cũng như lấy lại được nhiệt ẩn bay hơi của nước từ dòng
thải.
Bơm nhiệt có thểthay đổi nhiệt độ từ thấp đến cao, theo yêu cầu làm việc của thiết bị, từ đó nó có thể cung cấp các chế độ làm việc khác nhau. Loại bơm nhiệt phổ biến nhất hoạt
SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 67
động hoạt động theo một chu trình nén - hơi bao gồm các thiết bịchính: dàn bay hơi, máy nén, dàn ngưng tụ và van giãn nở (hình 5.1)
Qh = Qc + W
Tc < Th
Hình 5.2 : Nguyên lý truyền nhiệt của bơm nhiệt
Hình 5.3 : Các thành phần cơ bản của một bơm nhiệt
Dàn bay h ơi Dàn ngư ng t ụ Máy nén Van giãn nở
SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 68 Quá trình truyền nhiệt thực hiện được thông qua sự thay đổi pha làm việc của môi chất lạnh. Môi chất lạnh trong giàn bay hơi hấp thụ nhiệt và bay hơi ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Khi hơi môi chất lạnh ngưng tụ ở nhiệt độ cao, áp suất cao tại dàn ngưng tụ, nó thải nhiệt ở áp suất cao hơn. Khi sử dụng trong quá trình sấy, hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt làm lạnh khơng khí của q trình đến điểm bão hịa, và sau đó ngưng tụ nước (khử ẩm),
do đó làm tăng khả năng sấy của khơng khí. Trong q trình này chỉ tuần hồn mức nhiệt thấp (nhiệt hiện và nhiệt ẩn) từ khơng khí. Cấu trúc của dàn bay hơi và dàn ngưng tụ được bố trí như hình vẽ (hình 5.3 ).
Hình 5.4 : Hai phƣơng thức trao đổi nhiệt thông qua buồng sấy. Mũi tên lớn chỉ
dòng tác nhân qua buồng sấy
Trong trường hợp thứ nhất (hình 5.4 a), máy sấy lạnh hoạt động vừa như một máy khử ẩm và một bộ gia nhiệt khơng khí. Trong cách bố trí thứ hai, dàn bay hơi được xen vào dịng khơng khí ẩm trong khi khơng khí sạch lại được đưa vào tồn bộ dàn ngưng tụ. Việc sắp xếp theo kiểu này, nhiệt ẩn (cùng với một lượng lớn nhiệt hiện) được hồi lưu
SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 69 bằng cách khử ẩm của khí thải và truyền cho khơng khí của q trình thơng qua dàn
ngưng tụ. Mơ hình này thích hợp khi khơng khí mơi trường khơ (độ ẩm tương đối thấp), nhưng nó lại khơng kinh tế trong q trình sấy, bởi vì dịng khí thải tương tự như khơng
khí bên trong. Trong cả hai mơ hình trên, khí thải từ buồng sấy có thểđược hồi lưu lại đi đến dàn bay hơi nghĩa là khơng khí có thể tuần hoàn toàn bộ hay từng phần.
Bơm nhiệt bước đầu được nghiên cứu với tác dụng khửẩm, nhưng sau cuộc khủng hoảng
năng lượng những năm 70. Khả năng ứng dụng trong việc sấy nông sản phẩm ngày càng
được chú ý đến nhiều hơn. Ứng dụng của bơm nhiệt trong nông nghiệp bắt đầu với việc sử dụng như thiết bị gia nhiệt. Những nghiên cứu và phát triển sau đó đã đạt được kết quả
với việc phát triển quá trình sấy sử dụng bơm nhiệt. Bằng nhiều cách khác nhau, như là
sử dụng một van điều chỉnh áp suất, trao đổi nhiệt, điều khiển lưu lượng dịng khí, thay
đổi tốc độ máy nén,vv… được thực hiện tùy thuộc vào các yêu cầu thực tế, nguyên lý hoạt động máy sấy sử dụng bơm nhiệt. Trong thương mại việc sử dụng các máy sấy lạnh
để sấy hỗ trợđã được nhắc đến tại nhiều nước ở Châu Âu (NaUy, Pháp và Hà Lan), Châu Á và Autralia, ở đây công nghệnày được ứng dụng chủ yếu trong các quy trình chế biến thực phẩm.
Việc sử dụng bơm nhiệt với quy mô rộng lớn vẫn chưa được cụ thể hóa trong nơng nghiệp. Một trong những yếu tố cản trở việc sử dụng kỹ thuật này là chi phí đầu tư. Vì
chi phí đầu vào cao và thời gian sử dụng ngắn, cho nên hiện nay các loại máy sấy khác vẫn chiếm ưu thế. Hơn nữa, các sản phẩm ra đời phải đảm bảo tính đổi lẫn và dễ sữa chữa, kỹ thuật sấy sử dụng bơm nhiệt có tiềm năng đáp ứng được các ứng dụng khác nhau trong môi trường sản xuất nông nghiệp.
5.4 Phân loại hệ thống 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 vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm. Ởphương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt
SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 70 ngoài của vật nhỏhơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với khơng khí có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía
bên trong vật. Nói khác đi, ởđây gradient nhiệt độ và gradient áp suất có cùng dấu nên gradient nhiệt độ khơng kìm hãm quá trình dịch chuyển ẩm như khi sấy nóng mà ngược lại, nó có tác dụng tăng cường quá trình dịch chuyển ẩm trong lịng vật ra ngồi để bay
hơi làm khơ vật. Khi đó ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào mơi
trường có thể lớn hơn hoặc nhỏhơn nhiệt độmơi trường hoặc cũng có thể nhỏhơn 0oC.
Hình 5.5 : Sơ đổ hệ thống sấy lạnh
a.Hệ thống sấy lạnh nhiệt nhỏ hơn 00
C. Hệ thống sấy thăng hoa
Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn biến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa. Để tạo ra quá trình thăng hoa, vật liệu sấy phải
được làm lạnh dưới điểm ba thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu t < 00C và áp suất tác nhân sấy bao quanh vật p < 620 Pa. Từ đó, vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng để ẩm từ trạng thái rắn thăng hoa thành thể khí và vào mơi trường. Như vậy, trong các hệ thống sấy
thăng hoa phải tạo được chân không trong vật liệu sấy và làm lạnh vật xuống dưới 0oC.
Ƣu điểm: Phương pháp gần như bảo tồn được chất lượng sinh, hóa học của sản phẩm bao gồm: màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính,…
SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 71
Nhƣợc điểm:
- 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,…
Hệ thống sấy 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 < 0oC, áp suất tác nhân sấy bao quanh vật p > 610 Pa. Khi nhận được nhiệt lượng, các phần tử nước trong vật liệu sấy ở thể rắn sẽ
chuyển sang thể lỏng, sau đó mới chuyển sang thể hơi và đi vào môi trường.
Ƣu điểm: Phương pháp này giữ được chất lượng sản phẩm, đảm bảo điều kiện vệ
sinh.
Nhƣợc điểm: Hệ thống có chi phí đầu tư lớn, vận hành phức tạp.
- Phương pháp sấy chân không thường chỉ sấy các loại vật liệu sấy là các sản phẩm quý, dễ biến chất.
- Do tính phức tạp và khơng kinh tế nên các hệ thống sấy thăng hoa và hệ thống sấy chân không chỉ dùng để sấy những vật liệu q hiếm, khơng chịu được nhiệt
độ cao. Vì vậy, các hệ thống sấy này là những hệ thống sấy chuyên dùng, không
phổ biến.
b.Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 0o
C
Với những hệ thống sấy mà nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ nhiệt độ môi trường, tác nhân sấy thường là khơng khí được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm hấp phụ, sau đó nó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến
các nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu sấy. Khi đó do phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bé hơn phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy mà ẩm từ dạng lỏng
SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 72
bay hơi đi vào tác nhân sấy. Như vậy, quy luật dịch chuyển ẩm trong lòng vật và từ bề mặt vật vào môi trường trong các hệ thống sấy lạnh loại này hồn tồn giống như trong các hệ thống sấy nóng. Điều khác nhau ở đây là cách giảm pam bằng cách đốt nóng tác nhân sấy (d = const) để tăng áp suất bão hoà dẫn đến giảm độ ẩm tương đối φ. Trong khi
đó, với các hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ tác nhân sấy bằng nhiệt độ mơi trường thì ta sẽ tìm cách giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy pam bằng cách giảm lượng chứa ẩm d kết hợp với quá trình làm lạnh (sau khử ẩm bằng hấp thụ) hoặc đốt nóng (sau khử ẩm bằng lạnh).
Ƣu điểm:
- Năng suất hút ẩm của phương pháp này khá lớn.
- Khả năng giữ chất lượng, hàm lượng dinh dưỡng sản phẩm cũng khá tốt (phụ
thuộc vào nhiệt độ sấy).
Nhƣợc điểm:
- Chi phí đầu tư ban đầu khá lớn do phải sử dụng cả máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh
- Chất hút ẩm phải thay thế theo định kì
- Vận hành khá phức tạp nên chi phí vận hành lớn
- Điện năng tiêu tốn lớn do cần chạy máy lạnh và đốt nóng dây điện trở để hồn ngun chất hấp thụ.
- Lắp đặt phức tạp, khó điều chỉnh các thông sốđể phù hợp với công nghệ
- Trong môi trường có bụi, cần dừng máy để vệ sinh chất hấp thụ, tuổi thọ thiết bị
giảm.
Phương pháp dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp
Trong phương pháp này, người ta chỉ dùng một hệ thống bơm nhiệt để tạo ra mơi trường
sấy. Nhiệt độmơi trường sấy có thểđiều chỉnh trong giới hạn khá rộng từ nhiệt độ xấp xỉ môi trường đến nhiệt độ âm, tùy thuộc yêu cầu của vật liệu sấy. Khác với các thiết bị
SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 73
đều được sử dụng hữu ích nên năng suất tiêu thụởđây có thểđược tận dụng đến mức cao nhất mà nhiệt độ khơng khí lại có thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ mơi trường hoặc
thấp hơn.
Ƣu điểm:
- Khả năng giữ màu sắc, mùi vị và vitamin đều tốt
- Tiết kiệm năng lương nhờ sử dụng cả năng lượng dàn nóng và dàn lạnh, hiệu quả
sử dụng nhiệt cao
- Bảo vệmơi trường, vận hành an tồn.
- Có khảnăng điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy 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
- Công suất khá lớn
- Chi phí đầu tư hệ thống thấp hơn so với các phương pháp sấy lạnh khác - Vận hành đơn giản.
Nhƣợc điểm:
- Thời gian sấy thường khá lâu do độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy không lớn.
- Phải có giải pháp xảbăng sau một thời gian làm việc.
5.5 Các cơng trình nghiên cứu hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt :