Xemtailieu Tải về Nghiên cứu công nghệ sấy lạnh, tính toán, thiết kế
Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 1 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. .................................................................................................................. GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 2 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp Mục Lục Lời cảm ơn.........................................................................................................................6 Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp................................................................................................7 Lời mở đầu.........................................................................................................................9 Danh mục các hình..........................................................................................................11 Danh mục các bảng.........................................................................................................12 Chương 1.TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH............................................13 1.1. Giới thiệu phương pháp sấy lạnh.........................................................................13 1.1.1. Khái niệm về bơm nhiệt................................................................................13 1.1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của bơm nhiệt.....................................13 1.1.1.2. Giới thiệu các phương pháp sấy lạnh.....................................................14 1.2. Sơ đồ nguyên lý, đặc điểm truyền nhiệt và truyền chất hệ thống sấy lạnh.........15 1.2.1. Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy lạnh...................................................15 1.2.2. Đặc điểm quá trình truyền nhiệt, truyền chất...............................................16 1.3. Phân loại hệ thống sấy lạnh.................................................................................18 ................................................................................................................................. 1.3.1. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 0oC...................................................18 1.3.2. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 0oC....................................................19 1.4. Các thiết bị trong hệ thống lạnh...........................................................................20 1.5. Một số kết quả nghiên cứu về sấy lạnh của các tác giả trong và ngoài nước.....22 1.5.1. Các tác giả trong nước..................................................................................22 1.5.2. Các tác giả nước ngoài..................................................................................24 1.6. So sánh phương pháp sấy lạnh với phương pháp sấy nóng................................27 1.7. Đánh giá và kết luận.............................................................................................31 Chương 2. VẬT LIỆU SẤY LẠNH – XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU SẤY LẠNH................................................................................................33 2.1. Lựa chọn vật liệu sấy lạnh theo hướng nghiên cứu của đề tài............................33 2.1.1. Sơ đồ công nghệ sấy rau quả.........................................................................34 2.1.2. Ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng sản phẩm...............................35 2.2. Các đặc tính hóa lý của một số rau quả giàu vitamin ứng dụng phương pháp sấy lạnh.......................................................................................................................37 2.3. Lý thuyết sấy rau quả...........................................................................................39 2.4. Một số phương pháp sấy rau quả.........................................................................42 2.5. Lựa chọn phương pháp sấy lạnh theo hướng nghiên cứu của đề tài...................42 Chương 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT............................................................................................................44 3.1. Giới thiệu bài toán thiết kế và mô hình thiết kế..................................................44 3.2. Xây dựng quy trình công nghệ sấy Cà rốt...........................................................46 3.2.1. Giới thiệu vật liệu sấy....................................................................................46 3.2.1. Xây dựng quy trình công nghệ sấy Cà rốt.....................................................47 GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 3 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp 3.3. Xác định các thông số đầu vào của vật liệu.........................................................48 3.4. Tính toán lý thuyết chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn...............................................48 3.4.1. Xác định các thông số điểm nút trên đồ thị sấy.............................................51 3.4.2. Tính toán tốc độ sấy và thời gian sấy............................................................53 3.4.3. Tính toán nhiệt quá trình................................................................................56 3.5. Tính toán lý thuyết chế độ sấy thải bỏ tác nhân..................................................58 3.5.1. Xác định các thông số điểm nút trên đồ thị sấy.............................................58 3.5.2. Tính toán nhiệt quá trình................................................................................60 3.6. Xác định kích thước buồng sấy...........................................................................62 3.7. Cân bằng nhiệt cho quá trình...............................................................................63 3.8. Tính toán quá trình sấy thực chế độ hồi lưu hoàn toàn.......................................67 3.9. Tính toán quá trình sấy thực chế độ thải bỏ tác nhân..........................................70 3.10. Kết luận về chế độ sấy.......................................................................................72 3.11. Tính toán thiết kế và lựa chọn thiết bị phụ trợ..................................................73 3.11.1. Các thông số nhiệt của môi chất lạnh..........................................................73 3.11.2. Tính toán chu trình bơm nhiệt......................................................................74 3.11.3. Tính toán thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt................................................77 3.11.3.1. Dàn ngưng..........................................................................................77 3.11.3.2. Dàn bay hơi........................................................................................82 3.11.4. Tính chọn máy nén.......................................................................................87 3.11.5. Tính chọn đường ống dẫn môi chất.............................................................91 3.11.5.1. Đường ống đẩy...................................................................................91 3.11.5.2. Đường ống hút....................................................................................91 3.11.6. Thiết bị hồi nhiệt..........................................................................................92 3.11.7. Tính toán trở lực và chọn quạt.....................................................................97 Chương 4. KHẢO NGHIỆM QUÁ TRÌNH SẤY THỰC TẾ TRÊN MÔ HÌNH MÁY SẤY LẠNH........................................................................................................102 4.1. Mục đích.............................................................................................................102 4.2. Phương pháp và phương tiện.............................................................................103 4.3. Thí nghiệm xác định các thông số quá trình......................................................103 4.3.1. Thí nghiệm xác định vận tốc tác nhân sấy...................................................104 4.3.2. Xác định ẩm độ - nhiệt độ trung bình (to, φo) của không khí ....................106 4.3.3. Thí nghiệm xác định độ ẩm đầu và độ ẩm cuối của vật liệu sấy.................106 4.3.4. Xác định R trung bình của vật liệu sấy và phương pháp cắt lát vật lệu......106 4.3.5. Thí nghiệm sấy ở chế độ hồi lưu hoàn toàn và chế độ thải bỏ tác nhân.....107 4.3.6. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm...............................................................113 4.4. Ứng dụng phần mềm Labview vào nghiên cứu thực nghiệm...........................113 4.5. Các tính chất ảnh hưởng đến quá trình sấy........................................................117 Chương 5. TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KINH TẾ.............................................................119 5.1. Chí phí nguyên liệu, nhiên liệu .........................................................................119 5.2. Chi phí lao động.................................................................................................119 5.3. Chi phí khấu hao................................................................................................119 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ...........................................................................121 GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 4 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp 6.1. Kết luận..............................................................................................................121 6.2. Đề nghị...............................................................................................................121 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................................123 Lời cảm ơn Học tập là một quá trình lâu dài, mỗi giai đoạn đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành nhân cách, đạo đức của mỗi con người. Từ những ngày bước chân vào giảng đường đại học cho đến lúc hoàn thành luận văn này, em đã nhận được sự quan tâm chỉ dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô. Qua quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp em xin bày tỏ long biết ơn chân thành đến: Ban giám hiệu trường Đại học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh. Tập thể giảng viên Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh trường Đại học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh. Quý thầy cô đã tận tình chỉ dạy chúng tôi trong thời gian học tập tại trường. Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy trưởng Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Th.s Bùi Trung Thành đã trực tiếp theo dõi, tận tình hướng dẫn em trong thời gian thực hiện đề tài. Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian thực hiện, đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Mong nhận được sự chỉ bảo của quý thầy cô và góp ý của các bạn. Tp Hồ Chí Minh, tháng 6, năm 2010 Sinh viên thực hiện đề tài Nguyễn Anh Tuấn GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 5 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP HCM Đồ án tốt nghiệp CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Độc Lập- Tự Do- Hạnh Phúc NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên: MSSV: Ngành: Công Nghệ Nhiệt – Lạnh Niên Khóa: 2006-2010 Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ sấy lạnh, tính toán, thiết kế, khảo nghiệm và xác định một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng sấy cho một số loại rau quả giàu vitamin trên mô hình máy sấy lạnh bằng bơm nhiệt của khoa CN Nhiệt Lạnh I/ Thông tin thực hiện đề tài: 13-Số liệu choo trước: Mô hình sấy lạnh của khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh II/ Nội dung đề tài: 13-Tìm hiểu công nghệ sấy lạnh, phương pháp sấy, các thiết bị trong hệ thống sấy lạnh. 2- Tìm hiểu kỹ thuật sấy lạnh trên một số thực phẩm và rau quả trong nước và thế giới. 3- Trình bày các kết quả nghiên cứu về sấy lạnh trong nước và thế giới từ trước đến nay. 4- Lựa chọn vật liệu sấy lạnh, xây dựng quy trình công nghệ và xử lý vật liệu trước sấy và sau sấy lạnh. 5- Lý thuyết về sấy rau quả và thực phẩm. 6- Tính toán thiết kế mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt. 6.1 Giải quyết bài toán sấy lạnh lý thuyết và sấy thực theo chế độ thải bỏ tác nhân. 6.2 Giải quyết bài toán sấy lạnh lý thuyết và sấy thực theo chế độ hồi lưu hoàn toàn khí thải. 7- Tính toán thiết kế và lựa chọn các thiết bị phụ trợ cho hệ thống sấy. 8- Khảo nghiệm mô hình máy sấy lạnh xác định lại các thông số kỹ thuật của mô hình. 9- Bố trí thí nghiệm và thực hiện sấy thực nghiệm loại rau theo hướng nghiên cứu của đề tài 10- Xác định một số yếu tố chính ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm sấy lạnh ở hai chế độ sấy . 11- Kết luận rút ra từ thực nghiệm. 12- Hiệu quả kinh tế Xây dựng giá thành 1kg rau sấy 13- Các bản vẽ thiết kế GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 6 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp III/ Ngày giao nhiệm vụ: 01/03/2010 IV/ Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/06/2010 TP Hồ Chí Minh, tháng 3 năm 2010 Giáo viên hướng dẫn ThS. Bùi Trung Thành Lời mở đầu Việt Nam là một nước nhiệt đới có nhiều điều kiện để phát triển ngành trồng trọt và chế biến rau quả. Tuy nhiên, tỷ lệ tổn thất sau thu hoạch là rất lớn 25-30% [20]. Nguyên nhân chính là do công nghệ chế biến và bảo quản của chúng ta còn lạc hậu nên đã làm cho rau quả của Việt Nam có giá trị thấp trong thị trường trong nước cũng như xuất khẩu, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của người nông dân, vì vậy việc nghiên cứu đưa ra các quy trình công nghệ cũng như ứng dụng triển khai chuyển giao các kết quả nghiên cứu, các quy trình công nghệ bảo quản, chế biến rau quả, đóng vai trò hết sức quan trọng trong chiến lức phát triển ngành rau quả. Rau quả hiện nay chủ yếu được sử dụng ở dạng tươi, như đã biết rau quả là loại sản phẩm có tính thời vụ, thời gian thu hoạch ngắn, khả năng vận chuyển và bảo quản hạn chế, trong khi kỹ thuật bảo quản rau quả tươi vẫn chỉ dựa vào các kinh nghiện cổ truyền, mang tính thủ công chấp vá. Công nghệ sấy ứng dụng trong chế biến rau quả khô được tiến hành từ khá lâu nhưng cho đến nay vẫn bộc lộ nhiều hạn chế về công nghệ chưa khắc phục được chất lượng đầu ra của sản phẩm, chưa đáp ứng được các yêu cầu về đặc tính hóa lý, mùi, màu, thành phần dinh dưỡng nên khó đáp ứng cho nhu cầu GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 7 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp tiêu thụ và xuất khẩu trong và ngoài nước. Việc đầu tư nghiên cứu một quy trình công nghệ mới giải quyết những vấn đề này là thực sự cần thiết. Công nghệ sấy lạnh được xem là một công nghệ mới, ra đời từ yêu cầu cấp thiết đó. Ưu điểm của công nghệ sấy lạnh là có thể xây dựng được từng quy trình công nghệ sấy hợp lý đối với từng loại rau, củ, quả. Sản phẩm sấy giữ được nguyên màu sắc, mùi vị, hạn chế tối đa thất thoát dinh dưỡng (khoảng 5%) [20], đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm của Việt Nam và các chỉ tiêu kỹ thuật, chất lượng sản phẩm tương đương một số nước khác trên thế giới. Việc phát triển công nghệ sấy lạnh đã có nhiều thành tựu. Tuy nhiên, để có một quy trình công nghệ hoàn chỉnh, tối ưu với các thông số phù hợp nhất đòi hỏi chúng ta phải tiến hành nghiên cứu sâu rộng hơn. Được sự phân công đề tài “Nghiên cứu công nghệ sấy lạnh, tính toán, thiết kế, khảo nghiệm máy sấy lạnh và xác định một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng sấy cho một số loại rau quả giàu vitamin trên mô hình máy sấy lạnh bơm nhiệt của khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh” thực hiện dựa trên cơ sở tìm hiểu những nguyên lý chung nhất của công nghệ sấy lạnh từ đó có thể xây dựng nên quy trình sấy đối với từng loại rau quả khác nhau. Để giải quyết những vấn đề đó, đề tài nghiên cứu những nội dung chính sau: Tìm hiểu về công nghệ sấy lạnh, phương pháp sấy và các thiết bị trong hệ thống sấy lạnh. Tìm hiểu kỹ thuật sấy lạnh trên một số loại rau quả giàu vitamin, xây dựng quy trình sấy lạnh đối với một số loại rau quả này. Tính toán thiết kế mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt ở chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn và chế độ thải bỏ tác nhân. Tính toán thiết kế máy sấy lạnh và lựa chọn các thiết bị phụ trợ. Thực nghiệm nghiên cứu trên mô hình thực tế. Với những đặc tính ưu việt, công nghệ sấy lạnh hứa hẹn sẽ là một công nghệ tiên tiến, cho lĩnh vực sấy thực phẩm giàu vitamin, có thể áp dụng rộng rãi với quy mô lớn đáp ứng cả về vấn đề lợi ích kinh tế và bảo vệ môi trường. GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 8 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp Danh sách các hình Hình 1-1. Sơ đồ nguyên lý bơm nhiêt.........................................................................11 Hình 1-2. Hai phương thức trao đổi nhiệt qua buồng sấy..........................................12 Hình 1-3. Sơ đồ quá trình sấy theo hai phương thức trao đổi nhiệt...........................13 Hình 1-4. Sơ đồ hệ thống lạnh....................................................................................14 Hình 1-5. Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt kiểu môđun.......................................21 Hính 1-6. Sơ đồ công nghệ sấy rau quả.....................................................................32 Hình 3-1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống và đồ thị quá trình sấy........................................43 Hình 3-2. Sơ đồ công nghệ sấy Cà rốt..........................................................................45 Hình 3-3. Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt sử dụng trong hệ thống sấy lạnh.....................47 Hình 3-4. Đồ thị I-d chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn.....................................................48 Hình 3-5. Đồ thị I-d chế độ sấy thải bỏ tác nhân.......................................................56 Hình 3-6. Đồ thị I-d chế độ sấy thực hồi lưu hoàn toàn.............................................65 Hình 3-7. Đồ thị I-d chế độ sấy thực thải bỏ tác nhân...............................................68 Hình 3-8. Sơ đồ tính toán khí động trong hệ thống máy sấy.......................................96 Hình 3-9. Sơ đồ đặc tính kỹ thuật của quạt APCR0502AA10/10.................................99 Hình 3-10. Sơ đồ cấu tạo APCR0502AA10/10...........................................................99 Hình 4-1. Biểu đồ phân bố vận tốc tác nhân sấy qua các khay.................................102 Hình 4-2. Biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm tại TP Hồ Chí Minh ngày 15/04/2010................103 Hình 4-3. Sơ đồ hệ thống máy sấy lạnh .....................................................................105 Hình 4-4. Sơ đồ các thông số chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn......................................108 Hình 4-5. Sơ đồ các thông số chế độ sấy thải bỏ tác nhân........................................110 Hình 4-6. Giao diện chương trình ứng dụng phần mềm Labview..............................114 GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 9 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp Danh mục các bảng Bảng1-1 Đánh giá so sánh chất lượng sản phẩm sấy bằng bơm nhiệt sấy lạnh với phương pháp sấy nóng truyền thống và sấy hồng ngoại................................28 Bảng 3-1 Thông số trạng thái các điểm nút ...................................................................74 Bảng 3-2 Thông số tiêu chuẩn của các điểm nút....Error: Reference source not found88 Bảng 3-3. Tổn thất khí động qua buồng sấy...................................................................98 Bảng 4-1 Bảng kết quả khảo sát vận tốc tác nhân sấy.................................................102 Bảng 4-2 Bảng kết quả thực nghiệm xác định nhiệt độ và độ ẩm môi trường.............103 Bảng 4-3 Bảng kết quả xác định xác định độ ẩm đầu vào của vật liệu sấy.................103 Bảng 4-4 Bảng kết quả bán kính R của vật liệu...........................................................104 Bảng 4-5 Bảng kết quả thí nghiệm chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn................................106 Bảng 4-6 Bảng kết quả thí nghiệm ở chế độ sấy thải bỏ tác nhân...............................108 CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH 1.1. Giới thiệu phương pháp sấy lạnh 1.1.1. Khái niệm về bơm nhiệt 1.1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của bơm nhiệt GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 10 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp Bơm nhiệt có quá trình phát triển lâu dài, bắt đầu từ khi Nicholas Carnot đề xuất những khái niệm đầu tiên. Một dòng nhiệt thông 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 đó là bơm nhiệt. Đầu những năm 1850, Lord Kelvin đã phát triển các lý thuyết về bơm nhiệt bằng lập luận, các thiết bị làm lạnh có thể được sử dụng để gia nhiệt. Sản phẩm bơm nhiệt đầu tiên được bán vào năm 1952. Từ khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới. Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cỡ cho các ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị trường. Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa không khí, sấy, hút ẩm, đun nước… Hình 1-1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt 1.1.2. Giới thiệu các phương pháp sấy lạnh Trong phương pháp sấy lạnh, người ta 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. Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt ngoài nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với không khí có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên lớp bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía bên trong vật. Nói khác đi, ở đây gradient nhiệt độ và gradient áp suất có cùng dấu nên gradient nhiệt độ không kìm hãm quá trình dịch chuyển ẩm như khi sấy nóng mà ngược lại, nó có tác dụng tăng cường GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 11 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp quá trình dịch chuyển ẩm trong long vật ra ngoài để bay hơi làm khô vật. Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể lớn hơn hay nhỏ hơn nhiệt độ môi trường hoặc cũng có thể nhỏ hơn 0o. 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 không khí của quá trình đến điểm bão hòa, và sau đó ngưng tụ nước (khử ẩm), do đó làm tăng khả năng sấy của không khí. Trong quá trình này chỉ tuần hoàn mức nhiệt thấp (nhiệt hiện và nhiệt ẩn) từ không khí. Cấu trúc của dàn bay hơi và dàn ngưng tụ được bố trí như hình vẽ (hình 1.2). Hình 1-2. Hai phương thức trao đổi nhiệt thông qua buồng sấy. Hình 1-3. Sơ đồ quá trình sấy theo hai phương thức trao đổi nhiệt GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 12 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp Trong trường hợp thứ nhất (hình 1-2.a), máy sấy lạnh hoạt động vừa như một máy khử ẩm vừa như một bộ gia nhiệt không khí. Trong cách bố trí thứ hai (hình 1-2.b), dàn bay hơi được xen vào dòng không khí ẩm trong khi không khí sạch lại được đưa toàn bộ vào dàn ngưng tụ. Việc sắp xếp theo kiểu này, nhiệt ẩn (cùng với một lượng lớn nhiệt hiện) được hồi lưu bằng cách khử ẩm khí thải và truyền cho tác nhân sấy quá trình thông qua dàn ngưng tụ. Mô hình này thích hợp khi không khí môi trường khô (độ ẩm tương đối thấp), nhưng nó lại không kinh tế, bởi vì dòng khí thải tương tự như không khí bên trong. Trong cả hai mô hình trên, khí thải từ buồng sấy có thể được hồi lưu lại đi đến dàn bay hơi nghĩa là không khí có thể tuần hoàn toàn bộ hay từng phần. Ta có đồ thị quá trình sấy như hình 1-3 tương ứng với hai trường hợp bố trí trên hình 1-2. 1.2. Sơ đồ nguyên lý, đặc điểm truyền nhiệt và truyền chất của hệ thống sấy lạnh 1.2.1. Nguyên lý làm việc của 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. Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt ngoài của vật nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với không 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, ở đây gradient nhiệt độ và gradient áp suất có cùng dấu nên gradient nhiệt độ không 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 lòng vật ra ngoài để bay hơi làm khô vật. Khi đó ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn nhiệt độ môi trường hoặc cũng có thể nhỏ hơn 0oC. GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 13 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp Hình1-4. Sơ đổ hệ thống sấy lạnh 1.2.2. Đặc điểm quá trình truyền nhiệt và truyền chất Trong kỹ thuật sấy lạnh, thế sấy của không khí tăng nhờ quá trình tách ẩm ở dàn bốc hơi và quá trình gia nhiệt bằng chính dàn ngưng tụ trong các máy lạnh. Yếu tố có tính quyết định ở đây là quá trình làm lạnh không khí trong dàn lạnh, từ đây sẽ nhận được không khí có nhiệt độ và độ chứa hơi (d) nhỏ đảm bảo cho quá trình truyền nhiệt, truyền chất giữa vật sấy và tác nhân sấy trong buồng sấy xẩy ra ở điều kiện gradient nhiệt độ và gradient áp suất cùng chiều, không có giai đoạn nào xẩy ra hiệu ứng Luikov A.V. cản trở quá trình sấy như trong phương pháp sấy nóng. Vì vậy, ngoài việc tính toán, thiết kế hệ thống nói chung thì điều tối cần thiết là chế độ làm việc của dàn lạnh hay nói cách khác là khả năng tối ưu nhất của dàn lạnh có tầm quan trọng đặc biệt. Trong kỹ thuật sấy lạnh, để tăng cường tách ẩm cho hệ thống, không khí sấy trải qua giai đoạn tách ẩm ở dàn lạnh, vì thể ẩm trong không khí có thể tồn tại ở ba dạng hơi, lỏng và rắn, với dung ẩm ở dạng hơi dh, dạng lỏng dl và dạng rắn dr, entanpi H của không khí ẩm: H= tb + (2500+1,93tb)dh + 4,18d1tb + (-335+2,1 tb)dr , kJ/kgkk (1.1) Trong quá trình khử ẩm ở dàn lạnh, chiều dài đường đi của dòng không khí là yếu tố có tính quyết định, theo đó mà lưu lượng thể tích không khí cũng như công suất nhiệt d 2 m d Ph / T , kg / m3 K - trao đổi sẽ thay đổi, không khí được làm lạnh đến nhiệt dVdt Rdt GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 14 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp độ điểm sương ts. Trên một đơn vị dài quan hệ truyền nhiệt, truyền chất này có thể biểu diễn dưới dạng: d 2Q ' d 2 m dV dT =- c -r . , W/m . dτdx dV.dt dt dX (1.2) Trong đó * c’ - nhiệt dung riêng thể tích của không khí ẩm ở nhiệt độ khí quyển (c =1,23 kJ/m3K). * r - Nhiệt ngưng tụ (r=2500 kJ/kg đối với hơi nước ở 00C). * d 2 m d Ph /T = , kg/m3K - là nước ngưng theo đường 100% (ứng với 1m3 dVdt R.dt không khí ẩm khi nhiệt độ giảm đi 1K) và thay đổi nhanh qua nhiệt độ theo biểu thức: d 2 m d(Ph /T) = , kg/m3K dVdt R.dt (1.3) Trong đó: - Ph- áp suất hơi bão hòa của hơi nước tương ứng với nhiệt độ của không khí ẩm. - Hằng số R đối với hơi nước trong không khí ẩm: R=8314/18=861,89 J/kgK Mặt khác có thể tính nhiệt lượng do không khí truyền cho môi chất lạnh tương ứng với mỗi đơn vị dài của thiết bị bay hơi bơm nhiệt: d 2Q =k T-T0 , W/m (1.4) dτ.dx Với K1 là hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi [W/mK]. Từ các cơ sở trên ta có quan hệ: X0 c' T -T K.X =- ' ln s 0 (1.5) với K ' = [J/m3K] dV/dτ X K T1 -T0 Là thông số đặc trưng cho công suất của thiết bị bốc hơi của bơm nhiệt (thường khoảng 1kJ/m3K), X[m] là chiều sâu của thiết bị bốc hơi, X 0 [m] là khoảng cách từ đầu thiết bị vào thiết bị bốc hơi đến điểm xuất hiện quá trình ngưng đọng ẩm, T s là nhiệt độ đọng sương, các chỉ số 1 và 2 là kí hiệu đầu vào và ra của không khí qua thiết bị bốc hơi. 1.3. Phân loại hệ thống sấy lạnh 1.3.1. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 00C a. Hệ thống sấy thăng hoa GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 15 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp 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 được làm lạnh dưới điểm ba thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu t < 0 0C, áp suất tác nhân sấy bao quanh vật P< 620 Pa [19]. Từ đó, vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng để ẩm từ trạng thái rắn thăng hoa thành thể khí vào môi 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 0 oC. Ưu điểm: Phương pháp gần như bảo toàn được chất lượng sinh, hóa học của sản phẩm (màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính,…) Nhược điểm: - Chi phí đầu tư cao, phải dùng đồng thời bơm chân không, 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 cao. Sấy thăng hoa thường được ứng dụng để sấy sản phẩm quý, dễ biến chất do nhiệt như: máu, vắc xin, mít, nhãn, vv… b. 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 < 0 oC, 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. Ưu điểm: Phương pháp này giữ được chất lượng sản phẩm, đảm bảo điều kiện vệ sinh. Nhược 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 không kinh tế nên các hệ thống sấy thăng hoa và hệ thống sấy chân không chỉ dùng để sấy những vật liệu quí hiếm, không chịu được nhiệt độ cao. Vì vậy, các hệ thống sấy này là những hệ thống sấy chuyên dùng, không phổ biến. 1.3.2. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 00C a) Phương pháp sử dụng máy hút ấm chuyên dụng kết hợp với máy lạnh Phương pháp này sử dụng máy hút ẩm kết hợp với máy lạnh, để tạo ra môi trường 0 sấy có nhiệt độ khá thấp, có thể bằng hoặc bé hơn nhiệt độ môi trường từ 5 đến 15 C. GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 16 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp Ưu 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). Nhược 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 hoàn nguyên chất hấp thụ. - Lắp đặt phức tạp, khó điều chỉnh các thông số để phù hợp với công nghệ - Trong môi trường có bụi, cần dừng máy để vệ sinh chất hấp thụ, tuổi thọ thiết bị giảm. b. Phương pháp dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp Trong phương pháp này, người ta chỉ dùng một hệ thống bơm nhiệt để tạo ra môi trường sấy. Nhiệt độ môi trường sấy có thể điều 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 nhiệt lạnh khác, khi sử dụng bơm nhiệt để sấy khô và hút ẩm thì cả dàn nóng và dàn lạnh đều được sử dụng hữu ích nên năng suất tiêu thụ ở đây có thể được tận dụng đến mức cao nhất mà nhiệt độ không khí lại có thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ môi trường hoặc thấp hơn. Ưu 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 vệ môi trường, vận hành an toàn. - Có khả năng 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. Nhược 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 xả băng sau một thời gian làm việc. GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 17 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp 1.4. Các thiết bị trong hệ thống sấy lạnh Bơm nhiệt là một thiết bị dùng để bơm một dòng nhiệt từ mức nhiệt độ thấp lên mức nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt. Máy lạnh cũng là một loại bơm nhiệt và có chung một nguyên lý hoạt động, các thiết bị của chúng về cơ bản là giống nhau. chỉ phân biệt máy lạnh với bơm nhiệt ở mục đích sử dụng. Máy lạnh gắn với việc sử dụng nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi còn bơm nhiệt gắn với việc sử dụng nguồn nhiệt ở thiết bị ngưng tụ. Do sử dụng nguồn nhiệt nên bơm nhiệt hoạt động ở cấp nhiệt cao hơn. a) Môi chất và cặp môi chất: Môi chất và cặp môi chất của bơm nhiệt có yêu cầu như máy lạnh. Một vài yêu cầu đặc biệt hơn xuất phát từ nhiệt độ sôi và ngưng tụ cao hơn, gần giống như chế độ nhiệt độ cao của điều hòa không khí, nghĩa là cho đến nay người ta vẫn sử dụng các loại môi chất như: R12, R22, R502 và MR cho máy tuabin. Gần đây người ta chú ý đến việc sử dụng các môi chất mới cho bơm nhiệt nhằm nâng cao nhiệt độ dàn ngưng như: R22, R113, R114, R12B1, R142… b) Máy nén lạnh Cũng như máy nén lạnh, máy nén là bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt. Tất cả các dạng máy nén của máy lạnh đều được ứng dụng trong bơm nhiệt. Đặc biệt quan trọng là máy nén piston trượt, máy nén trục vít và máy nén tuabin. Một máy nén bơm nhiệt cần phải chắc chắn, tuổi thọ cao, chạy êm và cần phải có hiệu suất cao trong điều kiện thiếu hoặc đủ tải. c) Các thiết bị trao đổi nhiệt Các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản trong bơm nhiệt là thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ. Máy lạnh hấp thụ có thêm thiết bị sinh hơi và hấp thụ. Giống như máy lạnh, thiết bị ngưng tụ và bay hơi của bơm nhiệt cũng bao gồm các dạng: ống chùm, ống lồng ngược dòng, ống đứng và ống kiểu tấm. Các phương pháp tính toán cũng giống như các chế độ điều hoà nhiệt độ. d) Thiết bị phụ của bơm nhiệt Tất cả các thiết bị phụ của bơm nhiệt giống như thiết bị phụ của máy lạnh. Xuất phát từ yêu cầu nhiệt độ cao hơn nên đòi hỏi về độ tin cậy, công nghệ gia công thiết bị cao hơn. Đây cũng là vấn đề đặt ra đối với dầu bôi trơn và đệm kín các loại trong hệ thống. Do bơm nhiệt phải hoạt động ở chế độ áp suất và nhiệt độ gần sát với giới hạn tối đa nên các thiết bị tự động rất cần thiết và phải hoạt động với độ tin cậy cao để phòng ngừa GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 18 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp hư hỏng các thiết bị khi chế độ làm việc vượt quá giới hạn cho phép. Đối với van tiết lưu, bơm nhiệt có chế độ làm việc khác máy lạnh nên cũng cần có van tiết lưu phù hợp. e) Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt là những thiết bị hỗ trợ cho bơm nhiệt phù hợp với từng phương án sử dụng của nó. Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt gồm một số loại sau: Các phương án động lực của máy nén như: động cơ điện, động cơ gas, động cơ diesel hoặc động cơ gió…vv Các phương án sử dụng nhiệt thu ở dàn ngưng tụ. Nếu là sưởi ấm thì có thể sử dụng dàn ngưng trực tiếp hoặc gián tiếp qua một vòng tuần hoàn chất tải nhiệt, có thể sử dụng để sấy, nấu ăn, hút ẩm…Mỗi phương án đòi hỏi những thiết bị hỗ trợ khác nhau. Các phương án cấp nhiệt cho dàn bay hơi. Trường hợp sử dụng dàn lạnh đồng thời với nóng thì phía dàn bay hơi có thể là buồng lạnh hoặc chất tải lạnh. Ngoài ra cũng có thể sử dụng dàn bay hơi đặt ngoài không khí, dàn bay hơi sử dụng nước giếng là môi trường cấp nhiệt. Cũng có những phương án như dàn bay hơi đặt ở dưới nước, đặt ở dưới đất hoặc sử dụng năng lượng mặt trời. Các thiết bị điều khiển, kiểm tra tự động sự hoạt động của bơm nhiệt và các thiết bị hỗ trợ. Đây là những thiết bị tự động điều khiển các thiết bị phụ trợ ngoài bơm nhiệt để phù hợp với hoạt động của bơm nhiệt… 1.5. Một số kết quả nghiên cứu về sấy lạnh của các tác giả trong và ngoài nước Việc sử dụng bơm nhiệt trong công nghiệp cũng như dân dụng để sấy, sưởi, hút ẩm, điều hòa không khí,… đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trên thế giới. Sau đây là tổng quan một số công trình nghiên cứu: 1.5.1. Các tác giả trong nước Tác giả Phạm Văn Tùy và các công sự đã tiến hành nghiên cứu và đã ứng dụng thành công hệ thống bơm nhiệt để sấy lạnh kẹo Jelly, kẹo Chew, Caramel, kẹo Cứng… tại công ty bánh kẹo Hải Hà [Tài liệu 19]. Năm 1997, 1998 các tác giả đã thiết kế lần lượt hai hệ thống lạnh theo nguyên lý bơm nhiệt nhiệt độ thấp kiểu môđun. Để sấy kẹo Jelly với năng suất 1100 kg/ngày và 1400 kg/ngày hiện nay vẫn còn được sử dụng cho phòng sấy lạnh số 2 và số 3 Nhà máy thực phẩm Việt Trì- Công ty cổ phần bánh kẹo Hải Hà. Thông số nhiệt độ không khí buồng sấy 22-280C, độ ẩm 30-40%. Sơ đồ nguyên lý hệ thống như hình 1-5. GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 19 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Đồ án tốt nghiệp Hình 1-5. Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt kiểu môđun Một hệ thống máy hút ẩm hỗ trợ cho dây chuyền sản xuất kẹo Caramem của Cộng Hòa Liên Bang Đức cải tạo từ máy điều hòa không khí cũ cho phân xưởng kẹo caramem và hệ thống bơm nhiệt hút ẩm công suất lạnh 120.000 Btu/h sử dụng 4 máy lạnh Trane TTK 530 công suất mỗi máy là 30.000 Btu/h hiện nay đang sử dụng cho phòng bao gói kẹo cứng thuộc Xí nghiệp Công ty CP Bánh kẹo Hải Hà đã được lắp đặt từ năm 1999. Qua thực tế sử dụng, thấy rằng ngoài ưu điểm rẻ tiền (giảm khoảng 50% vốn đầu tư) và tiết kiệm năng lượng (điện năng tiêu thụ giảm gần 50%) so với phương án dùng máy hút ẩm, các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh này hoạt động ổn định, liên tục và giảm chi phí bảo dưỡng. Tuy nhiên, nó còn có nhược điểm là cồng kềnh, sử dụng nhiều quạt và động cơ xen kẽ, trong hệ thống nhiều bụi bột nên phải bảo dưỡng động cơ lại phải thực hiện trong không gian hẹp, khó thao tác. Để khắc phục những nhược điểm trên năm 2005 nhóm tác giả đã thiết kế chế tạo máy sấy lạnh cho phòng sấy lạnh số 1 theo nguyên lý bơm nhiệt kiểu nguyên khối BKBSH18A. So với công nghệ dùng các bơm nhiệt kiểu mô đun thì BK-BSH18A có thiết bị xử lý không khí được chế tạo dạng tổ hợp gọn có thể đặt ngoài nhà, trong nhà hay trong buồng sấy và tốc độ không khí có thể thay đổi để phù hợp với yêu cầu của vật liệu sấy khác nhau. GVHD: ThS. Bùi Trung Thành 20 SVTH: Nguyễn Anh Tuấn Tải về bản full