3.1.2 Nhiệt độ, nhiệt lượng lị sấy vào mùa ít nắng
Phần này, luận văn trình bày các chế độ thời tiết điển hình ảnh hưởng đến hoạt động của lị sấy (nhiệt độ lị sấy) vào mùa ít nắng (mùa đơng, xn).
+ Ban ngày, trời âm u nhiều mây
+ Ban đêm (Đánh giá khả năng giữ nhiệt của lò sấy)
a. Ban ngày (trời âm u, nhiều mây)
Thời tiết mùa đơng có đặc điểm chung là nhiệt độ thấp. Để đánh giá khả năng giữ nhiệt của lò sấy NLMT sử dụng trong luận văn, chọn ngày 19/12/2020 làm số liệu phân tích (Bảng Phụ lục 2.4).
Hình 3.14 là đồ thị mô tả nhiệt độ trong lò và điều kiện thời tiết bên ngồi. Có thể thấy rằng, mùa đông trời không nắng, năng lượng BXMT không đáng kể. Nhiệt độ trong lị cao nhất ~ 27oC so với ngồi trời ~ 17oC.
Hình 3. 15 Chênh lệch nhiệt độ trong lị và ngồi trời ngày 19/12/2020
Hình 3.15 so sánh nhiệt độ trong lị và ngồi trời, độ chênh lệch trung bình ~ 6 - 10oC. Điều này cho thấy, lị sấy có khả năng cách nhiệt khá tốt. Về mùa đơng, cơ bản lị sấy khơng thể hoạt động tốt do thiếu năng lượng sấy.
b. Ban đêm
Vào mùa đông, nhiệt độ ban đêm thường giảm sâu, trời rét, để đánh giá khả năng giữ nhiệt của lò sấy NLMT sử dụng trong luận văn, chọn đêm 19/12/2020 và rạng sáng 20/12/2020 để lấy số liệu đánh giá (Bảng Phụ lục 2.5).
Hình 3. 16 Hình so sánh nhiệt độ trong lị và ngồi trời đêm
ngày 19/12/2020 rạng sáng 20/12/2020
Hình 3. 17 Chênh lệch nhiệt độ trong lị và ngồi trời đêm
ngày 19/12/2020 rạng sáng 20/12/2020
Với nhiệt độ ngoài trời giảm thấp nhưng nhiệt độ trong lị vẫn được duy trì tốt, chênh lệch nhiệt độ về đêm khoảng 6oC, khả năng giữ nhiệt của lò sấy tương đối tốt.
Bảng 3.1 tổng hợp chênh lệch nhiệt độ lị sấy và bên ngồi theo các mẫu thời tiết điển hình.
Bảng 3. 1 Chênh lệch nhiệt độ trong và ngồi lị sấy theo các mẫu
thời tiết
Thời tiết (Tlò sấy – Tngồi)
oC
Nhiệt độ lị sấy,
oC
Ban ngày, trời nắng (mùa nắng) 17 - 18 50 - 55
Ban đêm (mùa nắng) 5 - 10 30 - 35
Ban ngày, nhiều mây (mùa nắng) 5 - 8 30 - 40
Ban ngày (mùa ít nắng) 6 - 8 20 - 28
Ban đêm (mùa ít nắng) 6 - 8 20 - 25
3.3. Khả năng xả ẩm của lò sấy áp dụng cho sấy gỗ keo xẻ3.3.1Giai đoạn 1 (giảm độ ẩm gỗ về 30%) 3.3.1Giai đoạn 1 (giảm độ ẩm gỗ về 30%)
Hình 3. 18 Đường cong độ ẩm của gỗ và độ ẩm trong lò sấy giai đoạn 1
Quá trình này nhiệt độ lị sấy được duy trì thấp (~ 30oC) kết hợp phun ẩm để giữ độ ẩm lị sấy cao (97%). Mục đích của giai đoạn này là cấp nhiệt cho gỗ sấy, thoát ẩm bên trong lõi gỗ ra bề mặt; trong khi đó, ngăn thốt ẩm bề mặt gỗ. Hình 3.18 mơ tả độ ẩm RH trong lò sấy độ ẩm của gỗ. Gỗ đưa vào lị có độ ẩm ~ 50% (lõi gỗ). Kết thúc giai đoạn 1, độ ẩm gỗ giảm xuống chỉ cịn 30%.
Có thể thấy rằng, lò sấy sử dụng NLMT hoạt động tương đối tốt ở giai đoạn sấy ban đầu với một số đặc điểm:
- Mặc dù phun ẩm tuy nhiên độ ẩm RH lị sấy có sự thăng giáng giữa ban ngày (68 - 72%) và ban đêm (90 - 95%), thay đổi theo nhiệt độ. Độ ẩm RH của lò sấy vào ban đêm tương đối ổn định do nhiệt độ lò sấy thay đổi không đáng kể. Vào ban ngày, ta thấy rằng độ ẩm RH lò sấy giảm dần từ 72% về 68% theo thời gian. Điều này chứng tỏ, chức năng phun ẩm để duy trì độ ẩm RH lị sấy hoạt động khơng thật hiệu quả. Tuy nhiên, do lị sử dụng NLMT nên nhiệt độ lò sấy giảm theo chu kỳ ngày đêm, kéo theo độ ẩm RH lò sấy giảm. Điều này gián tiếp giúp duy trì độ ẩm lị sấy cao, tránh gỗ bị thốt ẩm không đều giữa bề mặt và bên trong.
3.3.2Giai đoạn 2 (giảm độ ẩm gỗ về độ ẩm bão hịa thớ gỗ, 25%)
Hình 3. 19 Đường cong độ ẩm của gỗ và trong lò sấy giai đoạn 2
Nhiệt độ lị sấy được duy trì ở nhiệt độ sấy 35 - 38oC vào ban ngày và 30 - 32 oC vào ban đêm. Độ ẩm RH lò sấy được điều chỉnh giảm dần theo bảng EMC
(thể hiện mối quan hệ giữa độ ẩm cân bằng của gỗ với nhiệt độ, độ ẩm RH buồng sấy, Bảng 2. 1). Hình 3.19 mơ tả độ ẩm RH trong lị sấy và độ ẩm của gỗ.
Do độ ẩm RH phụ thuộc nhiệt độ nên độ ẩm RH lị sấy có sự thay đổi theo chu kỳ ngày đêm. Ngồi ra, độ ẩm RH lị sấy (ban ngày và ban đêm) giảm dần theo thời gian. Vào ban đêm, độ ẩm RH lò sấy giảm dần từ 93% về 85% và từ ~ 85% xuống 60% vào ban ngày.
Giai đoạn 2 của sấy gỗ, ta thấy lò sấy sử dụng NLMT hoạt động như sau: - Vào ban ngày nhiệt độ lò cao, độ ẩm RH thấp, độ ẩm của bề mặt ngồi gỗ giảm nhanh, thốt ẩm vào khơng khí trong buồng sấy do chênh lệch áp suất riêng phần. Về lý thuyết, vào ban ngày nhiệt độ bề mặt gỗ lớn hơn bên trong thớ gỗ, hơi nước có thể di chuyển từ bề mặt vào bên trong (cân bằng nhiệt). Tuy nhiên, độ ẩm bên trong thớ gỗ luôn cao hơn bề mặt nên xu hướng thoát ẩm thường là từ bề mặt gỗ vào trong khơng khí trong lị sấy. Về đêm, nhiệt độ lò sấy giảm xuống kéo theo độ ẩm tương đối của lò sấy tăng lên; nhiệt độ buồng sấy (hay nhiệt độ bề mặt gỗ) giảm xuống thấp hơn nhiệt độ bên trong thớ gỗ. Q trình này hỗ trợ sự thốt ẩm từ trong thân gỗ ra bề mặt, giảm sự chênh lệch về độ ẩm gỗ do hiện tượng thoát ẩm quá nhanh vào ban ngày.
- Tốc độ giảm ẩm giai đoạn này ~ 0,5%/ngày và quá trình kéo dài 7 - 10 ngày, kết thúc giai đoạn độ ẩm của gỗ đạt ~ 25 %, gỗ không bị cong vênh do co rút trong quá trình sấy.
3.3.3 Giai đoạn 3 (đưa độ ẩm gỗ về giá trị mong muốn)
Giai đoạn này, độ ẩm của gỗ đã ở dưới độ ẩm bão hịa thớ gỗ nên khơng lo ngại sự cong vênh do co rút cục bộ. Nhiệt độ lò sấy được điều khiển để tăng lên tối đa theo khả năng của lị sấy (50 - 55oC). Hình 3.20 mơ tả độ ẩm RH trong lò sấy và độ ẩm của gỗ.
Quan sát thấy rằng, giai đoạn sấy này có sự khác biệt lớn khi vận hành lò vào mùa nắng và mùa ít nắng. Về mùa hè, trời nắng to, nhiệt độ khơng khí rất cao, nhiệt độ lị sấy dễ dàng đạt 55 oC. Khi đó, độ ẩm RH lị sấy thấp (~ 55%), phù hợp để gỗ giảm ẩm nhanh. Tuy nhiên vào mùa ít nắng (đơng, xn), nhiệt độ lị sấy khơng thể lên cao, chỉ từ 30 - 40oC, do đó độ ẩm lị sấy cũng cao. Quan sát thấy rằng, trong điều kiện như vậy, tốc độ thoát ẩm của gỗ trong lò rất thấp.
-Nghịch lý của lò sấy sử dụng NLMT hoạt động vào mùa ít nắng: Để
giảm độ ẩm của gỗ cần nhiệt độ lò sấy cao. Nhiệt độ lò sấy cao sẽ cung cấp nhiệt cho gỗ để thúc đẩy quá trình bay hơi, chuyển ẩm từ bề mặt gỗ vào khơng khí trong buồng sấy. Nhiệt độ cao cịn giúp duy trì độ ẩm RH của buồng sấy thấp, tạo chênh lệch áp suất riêng phần giữa bề mặt gỗ và khơng khí lị sấy. Tuy nhiên vào mùa ít nắng, nhiệt NLMT thấp do đó nhiệt độ lị sấy thấp, độ ẩm lị sấy cao. Để giảm độ ẩm trong lò, hệ thống quạt xả ẩm phải hoạt động. Tuy nhiên quá trình xả ẩm dẫn đến mất nhiệt, nhiệt độ lị đi xuống, chưa kể q trình lấy khí tươi từ mơi trường (nhiệt độ thấp) lại tiếp tục làm cho nhiệt độ lò sấy giảm. Do độ ẩm tương đối phụ thuộc nhiệt độ, một khi nhiệt độ lị giảm thì độ ẩm tương đối tăng lên. Vì thế về mùa ít nắng, lị sấy NLMT hoạt động kém hiệu quả.
- Để sấy gỗ đạt độ ẩm 12% và trong trường trường hợp trời nắng, giai đoạn 3 có thể kéo dài khoảng 15 ngày. Nếu thời tiết ít nắng, quá trình sấy (giai đoạn 3) bị ngưng trệ.
Hình 3. 20 Đường cong độ ẩm của gỗ và trong lò sấy giai đoạn 3
3.4. Khả năng giảm thải CO2 của lò sấy sử dụng NLMT
Để đánh giá khả năng giảm phát thải CO2 của lò sấy sử dụng NLMT với các loại lị sấy sử dụng nhiên liệu hóa thạch hoặc điện năng, đề tài giả thiết:
- Giả thiết rằng các lị sấy có độ cách nhiệt như nhau;
- Khơng đưa hiệu suất truyền nhiệt của các loại lị sấy vào tính tốn (hiệu suất truyền nhiệt từ nguồn nhiệt đến gỗ sấy)
- Khơng đưa thời gian sấy vào tính tốn.
Cơng thức tính lượng phát thải CO2 trên một đối tượng sấy [29]:
Trong đó, là lượng phát thải CO2 trên một đơn vị khối lượng
nguyên liệu sấy; là lượng tiêu thụ nhiên liệu trên một đơn vị khối
lượng nguyên liệu sấy và là hệ số phát thải của nhiên liệu.
Bốn loại lị sấy cùng cơng suất sắp xếp gỗ (25 m3) sử dụng nhiên liệu lần lượt là NLMT, điện, than, khí đốt được tính tốn. Để sấy 1.000 bf (2,36 m3 gỗ)
gỗ cần lượng năng lượng vào khoảng 1,7 – 3,2 MBTU [30], trong đó 1 MBTU = 1055 MJ. Tức là, để sấy 1 m3 gỗ cần tiêu tốn 0,711 – 1,430 MJ.
- Lò sấy sử dụng NLMT: Cần sử dụng điện năng để vận hành hệ thống quạt đối lưu, quạt xả ẩm… Điện năng để sấy 1 m3 gỗ keo xẻ ~ 33 kWh (số liệu thực
tế). Hệ số phát thải CO2 của hệ thống điện là = 0,8154 (kgCO2/kWh) [31]. - Lò sấy hoàn toàn dùng điện: Bên cạnh điện năng vận hành hệ thống quạt đối lưu, quạt xả ẩm, lò sấy điện cần tiêu tốn điện năng để tạo ra nguồn nhiệt cấp cho buồng sấy. Điện năng để sấy 1 m3 gỗ keo xẻ ~ 800 kWh.
- Lò sấy dùng than: Lượng than cần sử dụng để tạo 1,016 – 2,383 MJ là ~ 3.420 kg. Hệ số phát thải CO2 của đốt than là = 0,983 (kgCO2/kg). [32]
- Lị sấy dùng khí hóa: Hiệu suất khí hóa 60 – 70% vậy lượng khí hóa cần sử dụng để tạo 0,711 – 1,43 MJ là 776 – 1812 kg. Hệ số phát thải CO2 của khí
hóa là = 0,741 (kgCO2/kg). [32]
Bảng 3.7 trình bày kết quả lượng phát thải CO2 của các lò sấy sử dụng bốn loại nhiên liệu khác nhau, dung tích các lị sấy là như nhau và bằng 25 m3.
Bảng 3. 2 Lượng phát thải CO2 của các loại lò sấy
Nhiêu liệu lò sấy Phát thải CO2 (kg)
Để sấy 1 m3 gỗ Lò sấy (25 m3)
Than 456 11.400
Điện 23 - 29 570 - 712
Năng lượng mặt trời 6 - 7 138 - 162
Khí hóa 85 - 199 2.123 - 4.975
Từ kết quả tính trên Bảng 3.2 cho thấy lị sấy sử dụng NLMT có mức độ phát thải CO2 thấp hơn rất nhiều so với sử dụng than, khí hóa hoặc thậm chí sử dụng điện lưới.
KẾT LUẬN
Đề tài đã nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và nhiệt độ mơi trường đến hiệu suất lị sấy gỗ sử dụng NLMT, cụ thể:
- Đã phân tích, giải mã tấm hấp thụ NLMT. Tấm hấp thụ NLMT của lị sấy có cấu trúc ba lớp: polymer trong suốt - sơn hấp thụ nhiệt – polymer nền, lớp hấp thụ chứa graphite biến tính.
- Đã khảo sát nhiệt độ lò sấy theo điều kiện thời tiết. Tiêu biểu là, vào ban ngày mùa nắng, nhiệt độ lị sấy có thể đạt 53 oC, chênh lệch nhiệt độ so với bên ngồi ~ 18 oC; về mùa ít nắng nhiệt độ lị sấy có thể đạt 40 oC, chênh lệch nhiệt độ so với bên ngoài ~ 8 oC.
- Đã khảo sát khả năng sấy gỗ keo xẻ của lị sấy. Đối với quy trình sấy gỗ ba giai đoạn: Lị sấy mất 3 - 4 ngày để hồn thành giai đoạn 1 (đưa độ ẩm gỗ về 30%, gỗ không bị cong vênh); 7 - 10 ngày để hoàn thành giai đoạn 2 (đưa độ ẩm gỗ về 25% - độ ẩm bão hịa thớ gỗ, gỗ khơng bị cong vênh). Đối với giai đoạn 3, sấy đưa độ ẩm gỗ về giá trị mong muốn (9 - 12%), hiệu năng lò sấy rất phụ thuộc vào điều kiện nắng. Q trình sấy có thể kéo dài nếu thời tiết khơng thuận lợi.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] O.V. Ekechukwua, B. Norton, Review of solar-energy drying systems II: an over-view of solar drying technology, Energy Conversion & Management 40, 615 (1999).
[2] Tạp chí American Woodworker/Các kỹ thuật sấy gỗ (https://www.popularwoodworking.com).
[3] Steinmann, D.E., Control of Equilibrium Moisture Content in a Solar Kiln, IU-FRO Wood Drying Procedings, 213 (1989).
[4] Tschernitz and Simpson, Solar-heated, forced-air, lumber dryer for tropical lati-tudes, Sol. Energy 22, 563 (1979).
[5] Tạp chí American Woodworker/Các kỹ thuật sấy gỗ (https://www.popularwoodworking.com)
[6] Dave Munkittrick, Air-drying lumber
(2002) (https://www.popularwoodworking.com/projects/air-drying- lumber/) [7]http://www.rudrasolarenergy.com [8]http://www.kraftworksolar.com/ [9]http://www.radhasolar.com [10]http://www.solardry.com.au/ [11] http://solarkilns.com/ [12] https://woodmizer.com
[13] [Tạp chí Năng lượng Mặt trời]. Tiềm năng và thực trạng ứng dụng năng lượng mặt trời ở các tỉnh Việt Nam
[14] Solarpower.vn/vi/.../Danh-gia-ung-dung-nang-luong-mat-troi-o- Viet- Nam...
[15] https://moit.gov.vn/tin-tuc/phat-trien-cong-nghiep/cach-mang- cong- nghiep-4.0-giup-nganh-cong-nghiep-go-nang-cao.html
[16] Nguyễn Trọng Thụ và Trần Xuân Hưng. 2002. “Thiết bị sấy nông hải sản bằng năng lượng mặt trời”. Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số 22, tr. 6-7.
[17] Dương Quốc Nhận, “Nghiên cứu sấy khơ cá trích xương bằng phương pháp sấy năng lượng mặt trời kết hợp đối lưu”, luận án tiến sĩ, 2009.
[18] Nguyen, H.B, Nguyen, H., Ha, V.N. và Duong, C.T. 2013. “Một nghiên cứu về mơ hình năng lượng mặt trời cá cơm”. Tạp chí Quốc tế về Khoa học Tiên tiến, Kỹ thuật và Công nghệ Thông tin, số. 3 (3), trang 5 - 8.
[19] Tiểu dự án “Nghiên cứu và chế tạo máy sấy nông sản/lúa bằng năng lượng mặt trời hiệu suất cao, sử dụng ống nhiệt thủy tinh chân không", Công ty Trách nhiệm hữu hạn Phát triển Ứng dụng Kỹ nghệ mới (SAV) (2013).
[20] Hoàng Minh Tuấn, Luận văn thạc sỹ kỹ thuật: Nghiên cứu thiết bị sấy kiểu quay dùng năng lượng mặt trời, Đại học Đà Nẵng (2012).
[21] Nguyen, H.B, Nguyen, H., Ha, V.N. và Duong, C.T. 2013. “Một nghiên cứu về mơ hình năng lượng mặt trời cá cơm”. Tạp chí Quốc tế về Khoa học Tiên tiến, Kỹ thuật và Công nghệ Thông tin, số. 3 (3), trang 5-8.
[22] Nguyễn Xuân Trung, Đinh Vương Hùng, “Thiết bị sấy cá năng lượng mặt trời và khả năng ứng dụng tại Việt Nam”, Tạp chí Tự động hóa ngày nay, số 18, tháng 6, 2015.
[23] Cơng ty Cổ phần Công nghệ năng lượng bền vững Việt Nam (http://setechvn.com/).
[24] Dự án Wecare, http://www.khoahocphothong.com.vn/nha-say-khong- dung-dien-cho-nong-dan-47453.html.
[25] Hoàng Thị Thanh Hương, Ứng dụng năng lượng mặt trời trong cơng nghệ sấy gỗ, Đề tài Sở KH&CN Bình Dương (2011-2012)
[26]. Hứa Thị Phấn, Những giải pháp tiết kiệm năng lượng trong sấy gỗ, Bản tin KH&CN số 3 và 4 – Sở Khoa Học & Cơng Nghệ Tỉnh Bình Dương, 2018.
[27] Hoàng Xuân Niên, Nguyễn Minh Hùng, Nghiên Cứu Thiết Bị Sấy Gỗ Bằng Năng Lượng Mặt Trời Kết Hợp Nội Dầu, Tạp Chí Khoa Học & Công Nghệ Lâm Nghiệp số 4-2015
[28] UnJin Ryu, Joon-Suh Park, Ki Han, Ju Ho Lee, Minwoo Park and Kyung Min Cho, Nanocrystalline Titanium Metal–Organic Frameworks for Highly Efficient and Flexible Perovskite Solar Cells, ACS Nano 2018, 12, 5, 4968–4975.
[29] Kyoto GHG Protocol và IPCC, Cơ quan quản lý Năng lượng và Môi trường Pháp (ADEME, 2009a; ADEME, 2009b).
[30] Hamilton, Michael S., and Norman Wengert. 1980, Environmental, Legal and Political Constrains on Power Plant Sitting in the Southwestern United States.
[31] Cục Khí tượng Thủy văn và Biến đổi khí hậu - BTNMT, cơng văn số 315/KTTCBĐKH-GSPT ngày 17/3/2017.
[32] Trung tâm Bảo vệ tầng ô-dôn và Phát triển kinh tế các-bon thấp, Cục Biến đổi khí hậu, Bộ Tài nguyên và Môi trường, 2019, Nghiên cứu, xây dựng hệ số phát thải của lưới điện Việt Nam.