Xây dựng hệ thống sấy tự động các sản phẩm kém chịu nhiệt

ăng suất sấy cao hơn so với phương pháp sấy nhiệt độ thấp (t<600C). Tuy vậy đối với một số sản phẩm, nếu sử dụng phương pháp sấy nóng thì sản phẩm dễ bị cong vênh nứt vỡ, cấu trúc vật liệu bị phá hỏng, biến màu …, chúng được gọi chung là các sản phẩm kém chịu nhiệt. Yêu cầu đặt ra là thiết kế, chế tạo một hệ thống sấy có khả năng sấy các loại sản phẩm kém chịu nhiệt, không những ứng dụng trong ngành thực phẩm mà còn trong các ngành khác như công nghệ sinh học, dược phẩm … Nội dung đồ án của chúng em là: “Xây dựng hệ thống sấy tự động các sản phẩm kém chịu nhiệt”. Sau một thời gian nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo, chúng em đã hoàn thành một hệ thống sấy thoả mãn được các yêu cầu đặt ra ở trên. Đồ án gồm ba phần chính: Chương I: Tổng quan về bơm nhiệt và công nghệ sấy - Nguyễn Minh Toàn. Chương II: Cơ sở tính toán, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm - Nguyễn Đức Đoan. Chương III: Thiết kế hệ điều khiển giám sát cho hệ thống - Đỗ Trường Huy. Do hạn chế về thời gian cũng như nhận thức nên đồ án của chúng em không tránh khỏi những thiếu sót bất cập. Chúng em rất mong sự chỉ bảo góp ý của các thầy, cô giáo để đồ án hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình của thầy TS. Nguyễn Minh Hệ, các thầy cô giáo trong bộ môn Máy & Tự động hoá CNSH-TP, các bạn sinh viên đã ủng hộ chúng em trong quá trình làm đồ án. Hà nội, 19-05-2006 Sinh viên thực hiện Nguyễn Đức Đoan Đỗ Trường Huy Nguyễn Minh Toàn Chương I Tổng quan về bơm nhiệt và công nghệ sấy I. Bơm nhiệt. 1. Lịch sử ra đời và phát triển. Năm 1810 Leslie đã sáng chế ra máy lạnh hấp thụ. Năm 1834 Perkins sáng chế ra máy lạnh nén hơi. Năm 1852, nhà khoa học người Ai-len William Thomson (Lord Kelvin) đề xuất việc sử dụng nguồn nhiệt toả của máy lạnh - khái niệm bơm nhiệt ra đời từ đó. Đến năm 1927 nhà phát minh người Anh - T.G.N Haldane được trao bằng sáng chế ra bơm nhiệt. Cùng với kĩ thuật lạnh, bơm nhiệt có nhiều bước phát triển đột phá. Những năm 1940 đánh dấu thành công lớn của bơm nhiệt khi nhiều nước châu Âu sử dụng những bơm nhiệt công suất lớn phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt: sưởi ấm, đun nước nóng, điều hoà không khí ... Cuộc khủng hoảng năng lượng năm 1973 tạo điều kiện cho bơm nhiệt có bước phát triển nhảy vọt. 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, vai trò của bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong rất nhiều lĩnh vực công nghiệp và đời sống hàng ngày. 2. Cấu tạo của bơm nhiệt. a. Định nghĩa. Bơm nhiệt là thiết bị dùng để bơm một dòng nhiệt từ nơi có nhiệt độ thấp lên mức nhiệt độ cao hơn, với sự hỗ trợ của nguồn năng lượng bổ sung như điện hoặc khí gas. Dòng lỏng của bơm nhiệt được sử dụng để vận chuyển nhiệt từ nguồn nhiệt tới bơm nhiệt và từ bơm nhiệt vận chuyển tới môi trường yêu cầu. b. Phân loại. Có hai loại bơm nhiệt được sử dụng phổ biến là: - Bơm nhiệt máy nén. - Bơm nhiệt hấp thụ. c. Cấu tạo của bơm nhiệt. Hình 1.1. 1. Một thiết bị bay hơi - dùng để lấy năng lượng từ môi trường và vận chuyển vào dòng lỏng của bơm nhiệt. 2. Một máy nén - là phương tiện cơ học lấy năng lượng từ dòng bay hơi của thiết bị bay hơi và vận chuyển nó với áp suất cao vào thiết bị ngưng. 3. Một bình ngưng - là thiết bị trao đổi nhiệt dùng hoá lỏng hơi và vận chuyển nhiệt vào môi trường yêu cầu. 4. Một van tiết lưu - đưa dòng tác nhân lỏng về áp suất thấp và nhiệt độ thấp. 3 Ngưng tụ TB ngưng tụ 4 Tiết lưu Van tiết lưu Trong hệ thống bơm nhiệt hấp thụ, máy nén được thay thế bằng một nồi hơi chứa nước và tác nhân lạnh. Để chạy máy lạnh hấp thụ có thể sử dụng đa đạng nguồn năng lượng: chất đốt dạng lỏng, dạng rắn, chất khí, năng lượng mặt trời, điện năng, nguồn nhiệt thải của các ngành công nghiệp khác ... Hình1.2. Van tiết lưu 1 Van tiết lưu 2 TB ngưng tụ Như vậy máy lạnh cũng là một dạng của bơm nhiệt, chúng có chung nguyên lý hoạt động, các thiết bị sử dụng trong hệ thống là tương tự nhau. Máy lạnh và bơm nhiệt chỉ phân biệt với nhau 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 yêu cầu sử dụng nguồn nhiệt nên bơm nhiệt hoạt động ở cấp nhiệt độ cao. d. Nguyên lý hoạt động. Hình vẽ 1.3: Sơ đồ thiết bị và sơ đồ dòng năng lượng của hệ thống bơm nhiệt - máy nén. Nguyên lý hoạt động: Tác nhân lạnh liên tục được bay hơi trong thiết bị bay hơi ở áp suất P0, nhiệt độ t0. Nhiệt lượng cấp cho tác nhân bay hơi được lấy từ môi trường thông qua bề mặt truyền nhiệt của thiết bị bay hơi. Hơi đi ra khỏi thiết bị có thể là trạng thái bão hòa ẩm (điểm 1), bão hòa khô (điểm 1’), hơi quá nhiệt (điểm 1’’). Nhiệt độ và áp suất của hơi tại điểm 1 và điểm 1’ là như nhau, còn đối với điểm 1” có áp suất vẫn như điểm 1 và điểm 1’ nhưng nhiệt độ cao hơn. Máy nén hút hơi có trạng thái điểm 1 (hoặc điểm 1’, điểm 1”) rồi nén đoạn nhiệt lên trạng thái điểm 2 (hoặc điểm 2’, điểm 2”). áp suất của hơi tác nhân sau khi nén đều bằng nhau và bằng áp suất ngưng tụ PN N/m2(hoặc PN kg/cm2) NT - TB ngưng tụ TL - Van tiết lưu Nhiệt lượng lấy từ môi trường Nhiệt lượng thải ra ở dàn ngưng tụ nhưng nhiệt độ khác nhau T1 = TN là nhiệt độ ngưng tụ, T1” > T1’ > T1 0K (t1” > t1’ > t1 0C). Từ trạng thái điểm 2 (hoặc 2’, hoặc 2”) hơi tác nhân được đẩy tới thiết bị ngưng tụ. Nhờ truyền nhiệt cho nước (hoặc không khí) mà hơi tác nhân bão hòa khô tại điểm 2 ngưng tụ đẳng áp PN, đẳng nhiệt TN và trở thành thể lỏng ở điểm 3. Nếu trạng thái hơi là điểm 2’ (hoặc 2”) thì khi đến thiết bị ngưng tụ trước hết chúng nguội đẳng áp PN từ nhiệt độ T2’ (hoặc T2”) xuống đến nhiệt độ TN rồi mới ngưng tụ. Tác nhân lỏng sau ngưng tụ có trạng thái điểm 3 (PN, TN) được đưa qua van tiết lưu hoặc ống tiết lưu để giảm áp suất từ PN xuống thành áp suất P0 và giảm nhiệt độ từ TN xuống T0 rồi cấp cho thiết bị bay hơi. Khi chảy qua van tiết lưu một lượng tác nhân lỏng đã bay hơi do tổn thất trong quá trình tiết lưu, tổn thất nhiều hay ít tùy thuộc vào loại tác nhân và chênh lệch áp suất giữa PN và P0. Điểm 4 là trạng thái của tác nhân sau van tiết lưu gồm tác nhân lỏng lạnh và hơi tác nhân lạnh, khi vào thiết bị bay hơi, chỉ có tác nhân lỏng bay hơi làm lạnh dung dịch nước muối (hoặc nước, hoặc không khí, vật rắn). Quá trình tiết lưu là quá trình đẳng entanpi (i3 = i4 = const), còn quá trình bay hơi trong thiết bị bay hơi là quá trình đẳng áp (P0 = const) và đẳng nhiệt (T0 = const). Sau khi bay hơi thì trạng thái của tác nhân là điểm 1 (P0, T0), hoặc điểm 1’ (P0’, T0), hoặc điểm 1” (P0”, T0), rồi lại tiếp tục được hút đến máy nén. Chu trình làm việc là: 1-2-3-4-1 hoặc 1’-2’-3-4-1’hoặc 1”-2”-3-4-1” được thể hiện trên đồ thị T-S hoặc lgp-i Hình 1.4. 3. Ưu điểm của bơm nhiệt và ứng dụng trong thực tiễn. a. Ưu điểm của bơm nhiệt. 1. Hệ số sử dụng cao. So sánh bơm nhiệt với máy lạnh: Máy lạnh sử dụng năng suất lạnh Q0 của dàn bay hơi, thải ra lượng nhiệt QN ở dàn ngưng tụ, tiêu tốn công suất nén lý thuyết Nlt. Hệ số lạnh lý thuyết: εlt = Bơm nhiệt sử dụng lượng nhiệt thải của dàn ngưng QN và tiêu tốn công suất Nlt. Hệ số nhiệt lý thuyết: εbn = = = εlt + 1 Trong đó QN = Q0 + Nlt Hệ số nhiệt của bơm nhiệt đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt. Rõ ràng theo biểu thức tính trên hệ số nhiệt của bơm nhiệt là luôn luôn lớn hơn 1, do vậy ứng dụng của bơm nhiệt bao giờ cũng có lợi về nhiệt. Trong trường hợp kết hợp cả máy lạnh và bơm nhiệt thì mang lại hiệu quả rất lớn vì chỉ cần tiêu tốn công suất Nlt mà ta được cả năng suất nhiệt QN và năng suất lạnh Q0: εml+bn = = 2.εlt + 1. 2. Giải pháp tiết kiệm năng lượng. So sánh với một số phương án trên sơ đồ cấp nhiệt từ nguồn năng lượng sơ cấp đến nơi tiêu thụ để thấy được hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt. Nguồn năng lượng sơ cấp được sử dụng là than, dầu mỏ, và khí thiên nhiên ...(Q II.202) Phương án 1 Phương án 2 Nguyên liệu Nhà máy điện Nguyên liệu Sấy điện trực tiếp, hiệu quả sử dụng năng lượng 27% Lò hơi công nghiệp Điện chạy bơm nhiệt máy nén, hiệu quả 70% Sấy bằng hơi nước, hiệu quả 40% Hơi chạy bơm nhiệt hấp thụ, hiệu quả 62% Qua sơ đồ chuyển hoá năng lượng ta thấy rằng so với sấy trực tiếp bằng điện hay bằng hơi nước từ các lò hơi công nghiệp thì khi dùng bơm nhiệt để cấp nhiệt cho các quá trình sấy hiệu quả sẽ cao hơn nhiều (tăng thêm 43% khi dùng bơm nhiệt máy nén và 22% khi dùng bơm nhiệt hấp thụ). Trong đó việc cấp nhiệt bằng bơm nhiệt máy nén tuy về hình thức đi theo đường vòng (nhiên liệu đ nhiệt đ điện đ nhiệt) nhưng hiệu quả thực chất lại cao hơn khoảng 8% so với bơm nhiệt hấp thụ. Điều đó phần nào giải thích tại sao dạng bơm nhiệt máy nén được sử dụng rộng rãi. Có thể khẳng định rằng ưu điểm nổi trội của việc sử dụng bơm nhiệt máy nén là tiết kiệm năng lượng. Bơm nhiệt rất tiêu thụ ít năng lượng (thường sử dụng điện) và nó có thể vận chuyển đi gấp 3 hay 4 lần lượng năng lượng nhiệt. 3. Về môi trường. Việc sử dụng bơm nhiệt an toàn với môi trường vì không đốt cháy nhiên liệu và sinh ra khí thải có hại như một số loại lò đốt thông thường. Bơm nhiệt sử dụng nguồn năng lượng có thể tái sinh hoặc nguồn nhiệt thải, thay thế cho các loại nhiên liệu như khí gas, dầu, than đá. b. ứng dụng Bơm nhiệt có thể được ứng dụng rộng rãi ở tất cả các cơ sở có nhu cầu năng lượng ở nhiệt độ thấp khoảng 40ữ800C và có thể tới 100ữ2000C, nếu nhu cầu về nóng và lạnh tương đối ăn khớp nhau thì hiệu quả kinh tế của bơm nhiệt lại càng lớn. Bơm nhiệt có thể được ứng dụng trong các ngành kinh tế sử dụng các nguồn nhiệt nhiệt độ thấp như: - Công nghiệp sấy và hút ẩm. - Các quá trình thu hồi nhiệt thải. - Dùng đun nước nóng phục vụ cho giặt tẩy, tiệt trùng, làm sạch ... - Dùng trong công nghiệp hóa học như bay hơi, chưng chất, cô đặc, tách chất ... - Tẩy rửa, mạ kim loại sơn sấy trong kỹ thuật điện và chế tạo máy - Điều hoà không khí trong công nghiệp, nông nghiệp, thương nghiệp, y học, đời sống hàng ngày ... * ứng dụng trong công nghiệp hút ẩm. Hình 1.5 mô tả một bơm nhiệt hút ẩm đơn giản, thực chất là một máy lạnh được bố trí đặc biệt để làm nhiệm vụ khử ẩm trong không khí (Q II.211). C. Sau dàn ngưng 2. Dàn ngưng 3. Van tiết lưu Cấu tạo: Bơm nhiệt hút ẩm gồm máy nén 1, van tiết lưu 3, hai đầu bố trí dàn ngưng tụ và dàn bay hơi. Đáy đưới, nắp trên và hai thành bên được bọc kín để không khí chỉ đi theo một phía từ dàn bay hơi ra phía dàn ngưng. Không khí dược hút qua bơm nhiệt nhờ quạt hướng trục 5. Nguyên lý hoạt động: Không khí trong phòng đầu tiên đi qua dàn bay hơi với trạng thái ban đầu là điểm A (φ1, t1). Khi vào dàn bay hơi, nhiệt độ giảm xuống, độ ẩm tương đối tăng lên đến trạng thái bão hòa. Một phần ẩm ngưng tụ lại chảy xuống khay hứng nước bên dưới. Không khí sau khi ra khỏi dàn bay hơi ở trạng thái B với φ = 100%. Không khí đã được khử ẩm đi qua dàn ngưng tụ, nhận nhiệt và tăng lên t2, độ ẩm tương đối giảm xuống φ2 < φ1. Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn ngưng bao giờ cũng lớn hơn vì phải nhận thêm nhiệt do công máy nén và hơi nước ngưng tụ lại ở dàn bay hơi. Máy hút ẩm kiểu bơm nhiệt này có thể đặt ở những nơi cần thiết giảm độ ẩm không khí xuống như phòng ở, phòng làm việc, buồng phơi quần áo, thư viện, kho bảo quản các đồ dùng quang học, các hàng mây tre, sơn mài, cói đay, các mặt hàng công nghệ phẩm, nông lâm hải sản xuất khẩu … * Trong công nghiệp sấy. - Sấy nông sản thực phẩm: Năm 1950 ở Mỹ, người ta xây dựng một thí nghiệm sấy hạt nông sản bằng bơm nhiệt. Nhiệt độ của buồng sấy, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi … cũng như độ ẩm không khí được giám sát và khống chế chặt chẽ. Buồng sấy là một phòng rộng 1,3 m2 để chứa nông sản. Bơm nhiệt có công suất máy nén là 570 W, sử dụng môi chất lạnh R12. Quạt gió ly tâm công suất 380 W để tuần hoàn gió. Mạng ống nước G được lắp đặt để điều chỉnh nhiệt độ sấy. Quá trình sấy kết thúc khi hạt ngũ cốc đạt độ ẩm khoảng 12%. Nhiệt độ sấy từ 43ữ540C; tốc độ gió từ 550ữ2000m3/h. Hình 1.6 (Q II.212) C. Dàn ngưng 7. Bộ cặp nhiệt ướt và khô - Bơm nhiệt sấy gỗ Westair (Anh). Cấu tạo như trên Hình 1.7 (Q II.213): Bơm nhiệt là một khối hoàn chỉnh, có vỏ bao che và các đường hướng gió vào, ra qua máy. Toàn bộ bơm nhiệt được đặt trên giá có bánh xe, do đó có thể di chuyển dễ dàng. Không khí trong buồng sấy có nhiệt độ 450C, độ ẩm tương đối là 75%. Khi qua dàn bay hơi nhiệt độ hạ xuống 250C và độ ẩm tăng lên 100%. Một phần ẩm ngưng tụ chảy xuống khay và theo đường ống ra ngoài. Sau đó không khí đi qua dàn ngưng tụ, nhiệt độ tăng lên 480C và độ ẩm giảm xuống = 55%, qua quạt và máy nén t = 490C và φ = 52%. Tổ hợp bơm nhiệt Westair bao gồm một bộ cảm biến nhiệt và cảm biến ẩm, chúng có nhiệm vụ giám sát, đóng mở các vòng tuần hoàn làm lạnh và đốt nóng phù hợp với từng trường hợp cụ thể của gỗ sấy trong hầm. Sự kiểm tra có tính chất chu kì từ lúc gỗ ướt cho đến lúc gỗ khô. Bơm nhiệt được trang bị cả các thiết bị điều chỉnh cho từng loại gỗ đặc biệt. Chế độ vận hành tối ưu được theo dõi bằng ẩm kế và bộ phận ghi nhiệt ẩm. Độ ẩm của gỗ cũng có thể xác định bằng các mẫu thử. Khi đạt được thông số yêu cầu (độ ẩm) thì điều kiện cân bằng sẽ tác động vào các cơ cấu kiểm tra giám sát trước khi đưa gỗ ra khỏi buồng sấy. Hình 1.8 là loại bơm nhiệt sấy gỗ được xây dựng ở CHLB Đức (QII.214). Bơm nhiệt nén hơi được lắp riêng trong kênh dẫn gió. Nhiệt độ sấy duy trì ở mức độ thấp 300C. Chế độ sấy dịu đó đảm bảo chất lượng gỗ cao hơn nhưng thời gian không lâu hơn sấy bằng phương pháp cổ điển, ở 600C năng lượng tiêu tốn chỉ bằng 1/5 phương pháp cổ điển. 2a. Dàn ngưng 2b. Dàn ngưng phụ để thải nhiệt thừa 3. Van tiết lưu 6. Bình đo lưọng nước ngưng Như vậy sử dụng bơm nhiệt có thể hạ giá thành sấy, chất lượng gỗ được đảm bảo tốt hơn nhiều so với phương pháp cổ điển. * Công nghiệp chưng cất, bay hơi, cô đặc. Hình 1.9 là dạng bơm nhiệt chu trình hở dùng để bay hơi cô đặc. Bán thành phẩm A được làm nóng sơ bộ qua hai thiết bị trao đổi nhiệt 4 và 5 rồi đi vào tháp bay hơi kiểu ống đứng, nhận nhiệt của hơi nén có nhiệt độ cao khi ngưng tụ do máy nén tuabin 1 nén vào, sau đó được đưa xuống bộ tách lỏng 3. Hơi B được máy nén hút và nén lên áp suất cao đưa trở lại tháp bay hơi 2. Thành phẩm chảy qua thiết bị trao đổi nhiệt 5 ra ngoài. Nước ngưng hoặc chất lỏng ngưng tụ C được đưa qua trao đổi nhiệt 4 ra ngoài. C. Nước ngưng hoặc lỏng của chất dễ bay hơi B. Hơi nước hoặc hơi của chất dễ bay hơi Hình 1.10 là một thiết bị cô đặc cũng bằng chu trình hở nhưng được bố trí gọn hơn. Nước ngưng Bình ngưng hơi nước Máy nén hơi nước Hình 1.10 Thiết bị cô đặc dùng máy nén hơi nước Bán thành phẩm cần cô đặc (đồ uống, hóa chất, dược phẩm …) được đưa vào thùng sấy và cho chảy tưới lên bề mặt ngoài của thiết bị ngưng tụ hơi nước để nhận nhiệt của hơi nước ngưng tụ. Hơi nước sinh ra sẽ được máy nén hút về và nén lên áp suất cao rồi đẩy vào bình ngưng tụ hơi nước. Như vậy nhiệt lượng cần thiết để bay hơi, chính do nhiệt lượng hơi do máy nén hút ra cung cấp. Quá trình cứ lặp đi lặp lại cho đến khi đạt được nồng độ yêu cầu. Năng lượng tiêu hao cho một kg ẩm giảm từ 2790 kJ/kg ẩm đối với phương pháp cô đặc cổ điển xuống còn khoảng 70kJ/kg ẩm khi dùng bơm nhiệt chu trình hở. Rõ ràng hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt chu trình hở trong công nghiệp cô đặc là rất lớn. Tuy vậy sơ đồ bơm nhiệt chu trình hở này cũng có những nhược điểm nhất định: - Khó vận hành với các dung dịch đặc, chỉ phù hợp với dung dịch loãng. - Khó hoặc không thể vận hành với các dung dịch có độ nhớt quá cao. - Tỉ số nén ở máy nén thường rất cao khi nhiệt độ bay hơi thấp. Do hạn chế như vậy, chu trình hở phần lớn chỉ được sử dụng để cô đặc bột và giấy phế thải, cô đặc rượu wisky, dược phẩm và đặc biệt trong công nghiệp hóa học. Đối với công nghiệp chưng cất người ta có thể sử dụng bơm nhiệt với hiệu quả kinh tế cao. Thường trong các tháp chưng cất dầu mỏ, hóa chất, bia rượu … người ta phải gia nhiệt ở đáy tháp và làm mát ở đỉnh tháp. Hiệu nhiệt độ giữa đỉnh tháp và đáy tháp không cao lắm. ứng dụng bơm nhiệt ở đay, người ta bố trí dàn bay hơi ở phía đỉnh tháp để làm ngưng tụ chất dễ bay hơi, còn đặt dàn ngưng ở phía đáy tháp để gia nhiệt cho dung dịch khó bay hơi. Hình 1.11: Sơ đồ ứng dụng bơm nhiệt chu trình kín để chưng cất sản xuất sản phẩm D có độ tinh khiết cao. Hình 1.12: Sơ đồ bơm nhiệt để chưng cất, tinh luyện, sản xuất sản phẩm C là chất cần được tinh chế. 2. Dàn ngưng E. Hồi lưu Hình1.12 Bơm nhiệt chưng cất tinh luyện Do chênh lệch nhiệt độ giữa đỉnh tháp và đáy tháp không lớn nên hệ số nhiệt của bơm nhiệt đạt rất cao, có khi tới 20 hoặc 30. Điều này thể hiện hiệu quả kinh tế rất lớn khi sử dụng bơm nhiệt trong công nghiệp chưng cất, tinh luyện. * ứng dụng bơm nhiệt trong điều hòa không khí. Điều hòa không khí như làm lạnh, sưởi ấm, chuẩn bị nước nóng là lĩnh vực ứng dụng hợp lý của bơm nhiệt vì nhiệt độ sử dụng ở đây tương đối thấp. Tùy theo nhu cầu sử dụng có các loại bơm nhiệt chuyên dùng như: - Bơm nhiệt chỉ dùng để sưởi ấm. - Bơm nhiệt chỉ dùng để chuẩn bị nước nóng. - Bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh, nguồn nóng để sấy, đun nước nóng, nguồn lạnh để điều hòa nhiệt độ. - Bơm nhiệt ba chức năng sưởi ấm, làm lạnh và hút ẩm … ở các nước hàn đới, quanh năm giá lạnh như Bắc Mỹ, Canada, Bắc Nga … hầu như người ta chỉ có nhu cầu sưởi ấm và đun nước nóng. Ngược lại, ở các nước nhiệt đới không có mùa đông lại chỉ có nhu cầu làm lạnh không khí. Nếu kết hợp được việc làm mát không khí với việc đun nước nóng phục vụ sinh hoạt thì hiệu quả bơm nhiệt cao hơn nhiều. Trong công nghiệp và trong các công trình điều hòa không khí lớn thường sử dụng bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh để tăng hiệu quả. Ví dụ: Năm 1959 hãng York (Mỹ) đã lắp đặt một bơm nhiệt ở Square Walley phục vụ Olympic mùa đông. Hệ thống có năng suất lạnh 1.650.000 kcal/h, máy nén tuabin. Năng suất nhiệt của bơm nhiệt (6 dàn ngưng không khí) dùng để cấp nhiệt cho phòng thể thao, các bể bơi. Năng suất lạnh dùng để cấp cho bốn sân trượt băng nghệ thuật, chất tải lạnh là nước muối CaCl2 nhiệt độ -100C. Do kết hợp nóng lạnh nên hệ số bơm nhiệt đạt khá cao từ 9ữ10 (Q II.218). * ứng dụng trong công nghiệp thực phẩm. Công nghiệp chế biến thực phẩm cũng là lĩnh vực có khả năng sử dụng bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh với hiệu quả cao vì hầu hết các ngành chế biến thực phẩm như thịt, cá, bơ, sữa, đồ hộp, đường, bánh kẹo, rượu bia, hoa quả đều cần lạnh để bảo quản và cần nước nóng để đun, nấu, tẩy, rửa, vệ sinh, triệt khuẩn, tiệt trùng, bay hơi, cô đặc, tráng nước nóng … Trước đây, trong một xí nghệp thực phẩm thường có các kho lạnh để bảo quản và các nồi hơi để cấp nhiệt cho các quy trình công nghệ sản xuất, chế biến. Ngày nay, các nước tiên tiến trên thế giới đều sử dụng bơm nhiệt kết hợp nóng lạnh để cấp nhiệt và cấp lạnh với hiệu quả kinh tế cao. Nhiều xí nghiệp đã cải tạo lại hệ thống lạnh để đồng thời sử dụng cả hai nguồn nóng và lạnh, tránh lãng phí nguồn nhiệt bị bỏ phí trước đây ở thiết bị ngưng tụ. Ví dụ: Xí nghiệp giết mổ và chế biến thịt ở Dresden (CHLB Đức) đã cải tạo lại toàn bộ hệ thống lạnh để sử dụng nhiệt thải của bình ngưng để đun nước nóng phục vụ tẩy rửa và sinh hoạt. Do hệ thống lạnh sử dụng môi chất amoniắc nên người ta làm thêm một vòng tuần hoàn an toàn để gián tiếp đun nước nóng, nước tẩy rửa, sinh hoạt, đề phòng rò rỉ amoniắc. Giá thành cải tạo là 139.000 DM nhưng xí nghiệp đã tiết kiệm được nhiên liệu đun nước so với trước là 200.000 DM mỗi năm (Q II.218). 4. Vấn đề sử dụng bơm nhiệt tại Việt Nam và hướng phát triển. Những hiệu quả mà bơm nhiệt mang lại rất đa dạng đối với nhiều ngành, nhiều lĩnh vực. Việc sử dụng bơm nhiệt cho các nhu cầu cung cấp nước nóng, sấy, sưởi và điều hoà không khí là giải pháp ưu tiên hàng đầu ở các nước Tây âu, Mỹ và Nhật Bản. ở Pháp người ta đã tổng kết rằng ở mọi loại hình sấy nếu không sử dụng bơm nhiệt đều là lãng phí về năng lượng. Đến năm 1987 Pháp đã có tới 6000 xí nghiệp có sử dụng bơm nhiệt, trong đó có 300 bơm nhiệt có công suất lớn hơn 30kW. Nhật Bản là nước có thị trường bơm nhiệt với số lượng lớn nhất thế giới, nhưng khác với châu Âu, ở Nhật bơm nhiệt dùng cho ĐHKK và khử ẩm rất được chú ý và tăng trưởng mạnh để thích nghi với điều kiện khí hậu trong nước. ứng dụng bơm nhiệt mạnh nhất ở Nhật Bản là lĩnh vực ĐHKK dân dụng, hàng năm bán ra thị trường hơn 3 triệu máy điều hòa không khí cục bộ thì gần 1/3 là máy 1 chiều lạnh, còn lại là máy hai chiều dạng bơm nhiệt. Bơm nhiệt để điều hòa không khí cho các công trình công cộng hàng năm cũng chiếm khoảng 50% tổng số thiết bị sản xuất ra. Mỹ là nước dẫn đầu thế giới về bơm nhiệt công suất lớn. Hàng năm có khoảng hơn 30% các cao ốc xây dựng mới trang bị hệ thống điều hòa không khí kiểu bơm nhiệt. ở Việt Nam, có rất nhiều lĩnh vực sản xuất, song việc đầu tư, phát triển bơm nhiệt chưa được đúng mức. Bơm nhiệt mới chỉ được sử dụng tại một vài nơi, phục vụ cho nhu cầu điều hoà không khí, hút ẩm trong một số ngành như: thư viện, các cơ quan lưu trữ, bảo quản tư liệu phim ảnh, tài liệu, ấn phẩm … Vừa qua công trình “Nghiên cứu công nghệ hút ẩm và sấy lạnh nông sản thực phẩm bằng bơm nhiệt máy nén” của PGS.TS Phạm Văn Tuỳ được trao giải thưởng sáng tạo KH-KT Việt Nam (VIFOTEC). Đề tài đã hoàn thành sáu hợp đồng chuyển giao công nghệ và hợp tác nghiên cứu với các cơ sở nghiên cứu: Công ty bánh kẹo Hải Hà Hà Nội, Nhà máy thực phẩm Việt Trì, Viện Công nghệ thực phẩm, Trung tâm thực phẩm Hà Nội. Đây thật sự là một thành công lớn, đánh dấu một bước tiến trong việc áp dụng bơm nhiệt tại Việt Nam. Hy vọng những năm tới đây việc nghiên cứu triển khai ứng dụng bơm nhiệt sẽ phát triển hơn, mang lại hiệu quả cao cho nền kinh tế quốc dân. II. Lý thuyết về Công nghệ sấy. 1. Định nghĩa. a. Định nghĩa. Sấy là phương pháp tách một phần hay toàn bộ lượng ẩm có trong vật ẩm bằng phương pháp nhiệt. b. Mục đích của sấy. - Phục vụ cho quá trình bảo quản: Đa phần các nguyên liệu trong ngành công nghệ thực phẩm là vật liệu ẩm. Đó là nguyên nhân để cho nấm mốc và vi sinh vật có hại phát triển, làm hư hỏng thực phẩm. Giảm độ ẩm trong vật liệu ẩm sẽ ngăn ngừa được nấm mốc và vi sinh vật. Sấy giúp thực phẩm có thể bảo quản rất lâu mà vẫn giữ được đa phần tính chất của nó. Sấy đến độ ẩm nào là tuỳ vào từng loại nguyên liệu và cách bảo quản. - Giảm năng lượng trong quá trình vận chuyển: Sau khi sấy khối lượng của vật ẩm giảm đi, vì vậy sẽ tiết kiệm được công vận chuyển. - Một số sản phẩm sau sấy là bán thành phẩm, đảm bảo các thông số kĩ thuật phục vụ cho quá trình chế biến và gia công tiếp theo. 2. Công nghệ sấy. a. Đối tượng sấy. Đối tượng của sấy là các loại vật liệu ẩm. Trong vật liệu ẩm có chứa hai thành phần chính là vật rắn và chất lỏng thấm ướt. * Phân loại đối tượng sấy: Theo quan điểm hoá lý thì vật ẩm là một hệ liên kết phân tán giữâ pha phân tán và môi trường phân tán. Pha phân tán là một chất có cấu trúc mạng hay khung không gian từ chất rắn phân đều trong môi trường phân tán. Hệ phân tán được chia làm ba nhóm: phân tán thô, keo và phân tử (ion). Hệ phân tán thô bao gồm các phần tử có kích thước từ 10-7 m trở lên. Dạng này gồm có huyền phù, nhũ tương, chúng không bền vững và dễ dàng phân lớp. Hệ phân tán keo xác định bởi các phần tử có kích thước từ 10-9m đến 107m. Do các phần tử của pha phân tán lớn hơn của môi trường phân tán nên hấp phụ các phần tử của môi trường phân tán lên bề mặt của các phần tử của pha phân tán. Hệ phân tán phân tử (ion) có kích thước nhỏ hơn 10-9m, đây thực chất là hệ phân tán của các phân tử hay ion. Hệ này rất bền vững. Keo là một dạng của hệ phân tán phân tử. Với keo thì các phần tử của pha phân tán không chuyển dịch tự do như trong dung dịch mà liên kết với nhau. Các phần tử của môi trường phân tán choán đầy không gian giữa các phần tử của pha phân tán. Keo có hai loại là keo đàn hồi và keo không đàn hồi. Keo không đàn hồi hút chất lỏng thấm ướt nó. Khi hút hay nhả nước, keo không đàn hồi hầu như không thay đổi dung tích. Keo đàn hồi chỉ hút một số chất lỏng, khi đó dung tích của nó gia tăng và vỡ ra, tan ra thành dung dịch. Từ những đặc tính trên phân ra vật ẩm thành ba nhóm: keo, xốp và keo-xốp mao dẫn. * Các dạng liên kết giữa nước và vật liệu Nước trong vật liệu ẩm có thể chia ra làm hai nhóm: nước tự do và nước liên kết. Nước tự do nằm ở bề mặt vật, có áp suất riêng bằng áp suất hơi nước bão hòa ứng với nhiệt độ hiện tại của vật ẩm. Nước tự do nằm trong vật ẩm là lượng nước tạo ra trên bề mặt của vật ẩm hơi nước có áp suất riêng đạt giá trị bão hòa ở nhiệt độ của vật. Nước liên kết tạo ra trên vật ẩm hơi nước có áp suất riêng nhỏ hơn áp suất bão hòa tương ứng với nhiệt độ của vật. Để tách nước ra khỏi vật ẩm cần có năng lượng bằng hoặc lớn hơn năng lượng liên kết của nó với vật ẩm. Để lựa chọn phương pháp tách nước cần phải biết dạng liên kết của nó với vật ẩm: - Liên kết hoá học: Liên kết hóa học của nước với các vật chất khác được xác định với tỷ lệ thành phần nghiêm ngặt. Gồm hai loại: Liên kết ion và liên kết phân tử. Năng lượng liên kết hóa học lớn. Muốn tách được ẩm phải nung ở nhiệt độ cao hoặc bằng các phản ứng hoá học. - Liên kết hoá lý: Liên kết hóa lý không đòi hỏi nghiêm ngặt về thành phần liên kết. Liên kết hóa lý có hai loại: liên kết hấp phụ và liên kết thẩm thấu. - Liên kết cơ lý: là loại ẩm được giữ lại trên bề mặt vật liệu, trong các mao quản bằng các lực kết dính với năng lượng liên kết rất bé. * Hệ cân bằng vật liệu ẩm - không khí ẩm. Hình 1.13: Đồ thị hút và nhả ẩm của vật khi nhiệt độ không khí không đổi. Đồ thị được xây dựng trên quá trình hút ẩm (quá trình bảo quản) và quá trình nhả ẩm (quá trình sấy) của vật liệu. Các sản phẩm sấy hay các vật liệu ẩm thường được bảo quản trong môi trường không khí. Một số sản phẩm có độ ẩm thấp, dễ hút nước thì được bảo quản trong các bao bì kín hoặc môi trường khí trơ. Sau một thời gian tiếp xúc giữa không khí ẩm và vật ẩm thì xảy ra cân bằng. Thời gian truyền ẩm để dẫn đến cân bằng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ, độ ẩm của không khí và vật ẩm, tốc độ không khí và cấu trúc của vật ẩm. Khi áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí Ph lớn hơn áp suất hơi nước Pm ngay trên bể mặt vật ẩm thì hơi nước từ không khí sẽ đọng và thấm vào vật ẩm. Ngược lại, khi Pm > Ph thì vật ẩm sẽ truyền ẩm vào không khí. Ph = Pm xảy ra cân bằng lúc đó tỷ số giữa Ph và Pb (áp suất hơi nước bão hòa) bằng tỷ số giữa Pm và Pb, đúng bằng độ ẩm tương đối φ của không khí: φ = = Độ chứa ẩm của vật ẩm khi cân bằng được ký hiệu là uc, phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí. Khi nhiệt độ của không khí không đổi thì quan hệ giữa uc và φ: uc = f(φ) Đường hút ẩm và nhả ẩm là không trùng nhau. Đường nhả ẩm ứng với quá trình sấy, đường hút ẩm tương ứng với quá trình bảo quản sản phẩm sấy. Độ ẩm không khí là φ1 thì độ ẩm cân bằng khi hút là uc”, khi nhả là uc. Tương tự với độ ẩm φ2 ta có uc và uc”. Như vậy cùng một độ ẩm tương đối của không khí thì độ ẩm cân bằng của vật khi hút bao giờ cũng nhỏ hơn ở quá trình nhả. Nếu ta dùng không khí có φ = φ1 để sấy vật ẩm thì độ ẩm của nó giảm xuống mức tối đa là u = uc. Khi bảo quản, sản phẩm sấy tiếp xúc với không khí có φ ≥ φ2 thì nó sẽ hút ẩm trở lại. Sử dụng hệ cân bằng vật ẩm - không khí ẩm để áp dụng vào trong quá trình sấy và bảo quản sản phẩm sấy. Khi chúng ta sấy bằng dòng không khí có độ ẩm tương đối là φ1 thì khi đặt trong môi trường có độ ẩm φ ≤ φ2 thì vật ẩm chưa hút ẩm trở lại, nếu đặt trong môi trường có độ ẩm φ1 thì vật đã sấy vẫn tiếp tục nhả ẩm cho đến khi đạt độ ẩm cân bằng uc”. Như vậy, áp dụng hệ cân bằng vật ẩm - không khí ẩm sẽ tiết kiệm được năng lượng trong quá trình sấy hay cũng có thể lựa chọn được môi trường bảo quản phù hợp cho vật đã sấy mà không bị hút ẩm trở lại. b. Tác nhân sấy. Tác nhân sấy là những chất dùng để mang ẩm thoát ra từ vật sấy. Trong quá trình sấy môi trường buồng sấy luôn được bổ sung ẩm bay hơi từ vật sấy. Nếu lượng ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối trong buồng sấy tăng lên, đến một lúc nào đó sẽ đạt cân bằng giữa vật sấy và môi trường sấy. Lúc này phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật sấy bằng phân áp suất của hơi nước có trong không khí, vì vậy quá trình thoát ẩm từ vật sấy sẽ dừng lại. Do đó cùng với việc cung cấp nhiệt cho vật bay hơi ẩm, phải tải ẩm đã thoát ra khỏi vật ẩm trong buồng sấy. Tác nhân sấy thực hiện nhiệm vụ này. Các tác nhân sấy thường là các chất khí như: không khí, khói lò, hơi quá nhiệt. Chất lỏng cũng được dùng làm tác nhân sấy như các loại dầu, một số loại muối nóng chảy … Trong đa số các quá trình sấy, tác nhân sấy còn làm nhiệm vụ gia nhiệt cho sản phẩm sấy. Xét hai tác nhân sấy thông dụng là không khí và khói lò: * Không khí ẩm: Không khí ẩm là loại tác nhân có sẵn trong tự nhiên, không gây độc hại và không làm bẩn sản phẩm sấy. Không khí là hỗn hợp của nhiều chất khí khác nhau. Thành phần của không khí bao gồm các chất chủ yếu là nitơ, ôxy, hơi nước, ngoài ra còn chứa một số chất khí khác như CO2, các khí trơ, H2, O3… Không khí có chứa hơi nước gọi là không khí ẩm. Trạng thái của không khí ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình sấy và bảo quản sản phẩm sấy. áp suất của không khí ẩm bằng áp suất của hơi nước cộng với áp suất của không khí khô: P = Pk + Ph; N/m2 Trong đó: P: áp suất của không khí ẩm N/m2 Pk: áp suất của không khí ẩm N/m2 Ph: áp suất của không khí ẩm N/m2 Các thông số đặc trưng của không khí ẩm: - Độ ẩm tuyệt đối: là khối lượng của hơi nước có trong 1 m3 không khí ẩm, kí hiệu: ρh (kg/m3 không khí ẩm). - Độ ẩm tương đối: là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối ρh trên độ ẩm tuyệt đối lớn nhất ρhMax, ứng với nhiệt độ nào đó của không khí ẩm, kí hiệu: φ. φ = ì100, % Giá trị của φ thay đổi từ 0 đến 1 hoặc từ 0% đến 100%. Nếu φ = 0 thì trong không khí không có hơi nước, khi ấy ta có không khí khô tuyệt dối. Khi không khí ẩm là tác nhân sấy thì φ càng nhỏ khả năng sấy càng tốt và ngược lại. - Độ chứa ẩm d của không khí ẩm là tỷ số giữa khối lượng hơi nước và khối lượng không khí khô. d = g/kg.kk - Entanpi của không khí ẩm: Entanpi của không khí ẩm I bằng tổng entanpi của không khí khô và entanpi của hơi nước: I = iK + d.ih, iK, ih- entanp._.i của không khí khô và hơi nước, kJ/kg. Hoặc I = t + (2500 + 1,86.t).d * Khói lò: Khói lò là sản phẩm khí của quá trình đốt cháy một chất đốt nào đó. Khối lượng, thành phần và các thông số trạng thái của khói lò phụ thuộc vào thành phần của chất đốt và phương pháp đốt cháy. Chất đốt gồm dạng rắn (than đá, củi), dạng lỏng (xăng, dầu) hoặc dạng khí. Chất lượng của chất đốt phụ thuộc vào thành phần cấu tạo của nó, thể hiện ở công thức: c + h + o + s +n + a + w = 1 c, h, o, s, n, a, w: thành phần khối lượng của cacbon, hyđro, oxy, lưu huỳnh, nitro, tro, hơi nước. Tro và nước là thành phần không cháy. c. Phương pháp sấy. Có nhiều phương pháp sấy khác nhau, để lựa chọn một phương pháp sấy phù hợp cần căn cứ vào tính chất của loại vật liệu đó. Phương pháp sấy được sử dụng rộng rãi nhất là phương pháp sấy đối lưu, tác nhân sấy là không khí nóng hoặc khói lò. Chúng ta xem xét diễn biến của quá trình sấy. * Các giai đoạn sấy. Trong quá trình sấy độ ẩm trong vật sấy có xu hướng giảm dần. Tùy theo cấu tạo vật sấy và phương pháp sấy mà độ ẩm và nhiệt độ của vật sấy ở các phần bên trong và trên bề mặt cũng khác nhau theo từng giai đoạn sấy. Người ta phân ra các giai đoạn sấy như sau: - Giai đoạn đầu: giai đoạn nung nóng vật sấy đến nhiệt độ bay hơi của ẩm. - Giai đoạn thứ nhất: giai đoạn có tốc độ sấy không đổi. - Giai đoạn sấy thứ hai: giai đoạn sấy có tốc độ sấy giảm dần. ở giai đoạn đầu, nhiệt độ tác nhân sấy cao hơn nhiệt độ bay hơi của ẩm, nhiệt độ được nâng lên đến nhiệt độ bay hơi của ẩm. Quá trình sấy chỉ có thể xảy ra khi nhiệt độ của vật sấy cao hơn nhiệt độ điểm sương của tác nhân sấy, nếu ngược lại, hơi nước từ tác nhân sấy sẽ ngưng và thấm vào vật sấy. Trong giai đoạn sấy thứ nhất, nhiệt độ của vật sấy bằng nhiệt độ bay hơi của nước. Tốc độ bay hơi nước và nhiệt độ của vật sấy là không thay đổi. Nhiệt lượng từ tác nhân sấy truyền cho vật sấy cấp hết cho nước bay hơi. Nước bay hơi chủ yếu là nước tự do có trong vật sấy. Hơi bay lên từ bề mặt vật sấy là hơi nước bão hòa, nhiệt hóa hơi đúng bằng nhiệt hóa hơi của nước tự do. Giai đoạn sấy thứ nhất được coi là giai đoạn sấy không đổi. Để có tốc độ sấy không đổi, lượng ẩm đã bay hơi phải bằng lượng ẩm sâu bên trong truyền ra bề mặt của vật sấy. Nếu dẫn ẩm không kịp bay hơi thì vùng bay hơi ẩm sẽ lấn sâu vào phía tâm của vật sấy. Khi đó, ở vật sấy hình thành ba vùng có nhiệt độ khác nhau. Vùng tâm vật sấy gọi là vùng ẩm, vùng tiếp theo là vùng ẩm bay hơi, vùng thứ ba là vùng sấy hoàn thành. Nhiệt độ của từng vùng như sau: t1 < t2 < t3. Nhiệt độ của vùng khô chính là nhiệt độ bề mặt của vật sấy: t3 = tm. Nhiệt độ vùng hai cân bằng nhiệt độ bay hơi: . Nhiệt độ của vùng 3 sẽ tăng dần và bằng nhiệt độ của tác nhân sấy: t1 < t2 < t3. Vùng 2 càng lấn sâu vào trong thì vùng 1 co lại, vùng 3 mở rộng. Trong quá trình này thì nhiệt độ trung bình của vật sấy tăng dần. Vì vậy giai đoạn này gọi là giai đoạn thứ hai hay giai đoạn tăng nhiệt độ của quá trình sấy. Trong giai đoạn này hiệu nhiệt độ giảm dần do t3 tăng dần đến t1. ở vùng 3 bắt đầu băy hơi nước liên kết. Giai đoạn này tốc độ sấy giảm dần. Tốc độ sấy không đổi ở giai đoạn sấy thứ nhất, giảm dần ở giai đoạn sấy thứ hai, bằng không khi kết thúc quá trình sấy. Kết quả là độ ẩm của sản phẩm sấy đạt độ ẩm cân bằng với tác nhân sấy. * Các đường cong sấy và tốc độ sấy. Đường cong biểu diễn sự thay đổi độ ẩm của vật sấy theo thời gian sấy gọi là đường cong sấy. u = f (τ) Dạng của đường cong sấy phụ thuộc nhiều vào các yếu tố: - Dạng liên kết giữa nước và vật sấy - Hình dáng, kích thước và đặc tính của vật sấy - Phương pháp và chế độ sấy. Đường cong sấy là hàm của quá trình sấy, vì vậy ở các chế độ sấy và phương pháp sấy khác nhau nhưng dạng đường cong là tương tự. Hình 1.14: Đường cong sấy đối lưu vật sấy có kích thước mỏng, ở chế độ sấy không đổi. Ta thấy rằng, giai đoạn đầu của quá trình sấy nằm trong khoảng 0- τ0. Nếu nhiệt độ tác nhân sấy cao hơn nhiệt độ của vật sấy (tt > t) đường cong sấy là đoạn uđ-A, vật sấy bị đốt nóng. Nếu t > tt thì đường cong sấy là uđ’-A, vật sấy được làm nguội. α α Hình 1.14 Đường cong sấy Giai đoạn sấy thứ nhất của quá trình sấy: τ0- τ1, tốc độ sấy trong giai đoạn này không đổi A-B. = tg α1 Khi vật sấy có kích thước mỏng thì giai đoạn đầu (uđ-A) rất ngắn đến mức có thể xem như giai đoạn sấy thứ nhất bắt đầu từ thời điểm τ = 0. Khi vật sấy có kích thước dầy, độ ẩm thấp thì giai đoạn sấy thứ nhất rất ngắn có thể bỏ qua, khi đó gần như chỉ có giai đoạn sấy thứ hai. Giai đoạn sấy thứ hai: τ1- τ2 giai đoạn sấy có tốc độ giảm dần, góc α2 giảm dần, đường cong sấy tiệm cận với hàm ẩm cân bằng uc. Đường cong tốc độ sấy là đường cong biểu diễn quan hệ giữa tốc độ sấy (du/dτ) và hàm ẩm u của vật sấy. = f (u) Đạo hàm đường cong sấy theo thời gian ta sẽ thu được đường cong tốc độ sấy. Hình 1.15: Trong quá trình sấy do hàm ẩm u giảm dần nên đường cong tốc độ sấy bắt đầu từ bên phải chạy sang bên trái. Giai đoạn đầu tốc độ sấy tăng nhanh đến giá trị ổn định của giai đoạn sấy thứ nhất. Trong giai đoạn sấy thứ nhất, tốc độ sấy là không đổi nên đường cong tốc độ sấy chạy song song với trục hoành từ A đến B. Sau đó, tốc độ sấy giảm dần cho đến 0, ứng với độ ẩm cân bằng của vật sấy uc. Đường cong sấy trong giai đoạn thứ hai rất phức tạp, nó phụ thuộc vào cấu trúc vật sấy, dạng liên kết giữa ẩm với vật chất khô trong vật sấy. Hình 1.15 Các dạng đường cong tốc độ sấy d. Chế độ sấy. Chế độ sấy được xác định chủ yếu bởi các thông số: nhiệt độ tác nhân sấy tt, độ ẩm tác nhân sấy φt và tốc độ tác nhân sấy wt. Các thông số này ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sấy. - ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy. Hình 1.16 ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy (tt’ < tt” < tt’’’) đến động học quá trình sấy a. Đường cong sấy b. Đường cong tốc độ sấy Nhiệt độ của tác nhân sấy càng cao thì thời gian sấy càng giảm và tốc độ sấy tăng, hàm ẩm lúc kết thúc giai đoạn thứ nhất càng cao. Đó là do chênh lệch nhiệt độ giữa tác nhân sấy và nhiệt độ bề mặt vật sấy tăng, thúc đẩy quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm trong vật sấy và từ bề mặt sấy sang tác nhân sấy. - ảnh hưởng của độ ẩm tác nhân sấy. Hình 1.17 ảnh hưởng của độ ẩm tương đối tác nhân sấy (φ 1 < φ2 < φ3) đến động học quá trình sấy a. Đường cong sấy b. Đường cong tốc độ sấy Độ ẩm tương đối của tác nhân sấy càng cao thì thời gian sấy tăng, hàm ẩm vật sấy kết thúc giai đoạn thứ nhất giảm: uB3 < uB2 < uB1. Giai đoạn sấy thứ hai (tốc độ sấy giảm dần) có điểm chung là B’. - ảnh hưởng của tốc độ tác nhân sấy. Tốc độ tác nhân sấy càng lớn thì thời gian sấy càng giảm, cường độ sấy ở giai đoạn thứ nhất tăng, hàm ẩm của vật sấy lúc kết thúc giai đoạn sấy thứ nhất lớn hơn. Tốc độ sấy ít ảnh hưởng đến cường độ sấy trong giai đoạn sấy thứ hai. Trong giai đoạn này, quá trình sấy phụ thuộc vào cấu trúc của vật sấy, sự liên kết ẩm với vật sấy. Hình 1.18 ảnh hưởng của tốc độ tác nhân sấy (wt’ < wt” < wt’’’) đến quá trình sấy a. Đường cong sấy b. Đường cong tốc độ sấy 3. Các phương pháp sấy nhiệt độ thấp. a. Sấy thăng hoa. Sấy thăng hoa (hay sấy lạnh đông) là quá trình tách ẩm của vật liệu bằng thăng hoa (ẩm từ trạng thái rắn biến thành hơi mà không qua trạng thái lỏng). Sấy thăng hoa được áp dụng cho ngành công nghiệp chế biến và bảo quản thực phẩm như sấy thịt cá, rau quả đóng hộp, ngoài ra cũng được dùng trong công nghiệp dược phẩm: sấy thuốc kháng sinh. ưu điểm: sản phẩm có chất lượng cao (giữ nguyên được màu sắc, cấu trúc, hương vị ...), giữ được hoạt tính sinh học (không làm biến chất albumin, không xảy ra các quá trình vi sinh, giữ nguyên được các loại vitamin ...). Nhược điểm: Giá thành đắt, thiết bị phức tạp, vốn đầu tư lớn. Bảo quản: Do vật liệu sấy vẫn giữ nguyên thể tích ban đầu, xốp hơn, nên dễ hấp phụ nước trở lại vì vậy muốn bảo quản lâu thì sản phẩm sấy thăng hoa phải được đóng hộp có độ kín cao. Để thực hiện sấy thăng hoa, vật sấy phải được làm lạnh đông để ẩm trong vật sấy hoá rắn. Đặt vật sấy đã đông lạnh vào buồng sấy có độ chân không cao (áp suất thấp hơn áp suất điểm ba pha của nước là 610,5 N/m2), đồng thời cấp nhiệt cho vật sấy. ẩm thăng hoa khỏi vật sấy được hoá lỏng và đi ra ngoài hệ thống. Nhiệt lượng cấp cho quá trình thăng hoa phải vừa đủ, nếu cấp nhiệt nhiều hơn mức cần thiết sẽ phá hủy quá trình sấy thăng hoa. Trong hệ thống máy sấy thăng hoa buồng sấy làm cả nhiệm vụ buồng lạnh đông. Vì vậy trong buồng sấy có cả dàn lạnh và dàn cấp nhiệt. Buồng sấy phải có cấu tạo phù hợp với năng suất yêu cầu, có độ bền và độ kín cao, nạp và tháo sản phẩm dễ dàng, vật liệu chế tạo buồng sấy là thép không gỉ. Sau khi vật sấy được nạp vào buồng sấy thì tiến hành làm lạnh đông nhờ hệ thống máy lạnh. Sau đó, ngừng máy lạnh, hút chân không buồng sấy đồng thời cấp nhiệt cho vật sấy, thực hiện quá trình thăng hoa. Bơm chân không duy trì áp suất trong buồng sấy ở 610,5 N/m2. Các phương pháp sấy thăng hoa: - Sấy thăng hoa gián đoạn. - Sấy thăng hoa liên tục. - Sấy thăng hoa theo chu kỳ. Hình 1.19: Sơ đồ nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy sấy thăng hoa làm việc gián đoạn. Vật sấy 2 đã đông lạnh đặt lên bề mặt cấp nhiệt 3, phía trên có thiết bị cấp nhiệt bằng bức xạ 4, tất cả đặt trong buồng sấy thăng hoa 1. Buồng sấy 1 nối thông với thiết bị ngưng tụ hơi nước 5, có cùng áp suất với buồng sấy. Bơm hút chân không 6 hút không khí ngưng, duy trì áp suất thấp trong buồng sấy. Chất tải lạnh được máy lạnh 7 hạ nhiệt độ xuống thấp hơn nhiệt độ của hơi nước trong thiết bị 5 để làm cho hơi nước thăng hoa từ vật sấy sẽ được ngưng tụ hết rồi chảy ra ngoài. Nhiệt lượng do thiết bị 3 và 4 cấp cho vật sấy vừa đủ để một lượng nước trong vật thăng hoa khỏi vật sấy. Hình 1.19 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của máy sấy thăng hoa làm việc gián đoạn 1. Buồng sấy 2. Vật sấy đông lạnh 3. Thiết bị cấp nhiệt 4.Thiết bị bức xạ nhiệt 4. Buồng ngưng 6.Bơm chân không 7.Máy lạnh 8.Chất tải lạnh. 9.Nước ngưng 10. Nguồn nhiệt 11. Nguồn điện Hình 1.20 Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của buồng sấy thăng hoa liên tục 1. Buồng sấy 2. Buồng nạp liệu 3. Thiết bị cấp nhiệt bằng bức xạ 4. Băng tải 5. Thiết bị ngưng tụ 6. Thiết bị tháo sản phẩm Các thông số: áp suất chung trong buồng sấy bằng 13ữ130Pa, nhiệt độ bằng - 200C đến - 600C; nhiệt độ vật sấy từ - 150C đến - 400C; nhiệt độ ngưng tụ của hơi nước là - 400C đến - 700C; nhiệt độ của chất tải lạnh là - 500C đến - 800C. Hình 1.20: là loại máy sấy thăng hoa liên tục. Vật sấy đông lạnh được đưa vào buồng nạp liệu 2. Trong buồng sấy 1, vật liệu được vận chuyển nhờ băng tải 4, và được đốt nóng bởi thiết bị cấp nhiệt bằng bức xạ 3. Băng tải chuyên chở vật liệu có hai tầng nhằm tăng thời gian đốt nóng vật liệu và giảm chiều dài của thiết bị. Khí không ngưng được hút ra ngoài nhờ bơm chân không. Thiết bị ngưng tụ 5 ngưng hơi nước từ vật ẩm thoát ra. Sản phẩm sấy xong được tháo ra ở thiết bị 6. b. Sấy chân không. Mục đích của sấy chân không là làm tăng quá trình bay hơi của ẩm trong vật liệu bằng cách tạo ra môi trường chân không để ẩm dễ dàng thoát ra. Hình 1.21: Giới thiệu một loại tủ sấy chân không. Đây là một loại máy sấy tiếp xúc đơn giản nhất, làm việc gián đoạn. Hình dạng của loại máy này là phòng sấy hình trụ hoặc hình khối hộp bên trong chứa các tấm ngăn rỗng 2, phía trong các tấm ngăn này được đốt nóng bằng hơi nước hoặc không khí nóng. Vật liệu sấy 3 được để trên các tấm ngăn. Hơi ẩm được bơm chân không hút thải ra ngoài hoặc qua thiết bị ngưng tụ đối với hơi cần thu hồi (hơi dung môi hữu cơ). Loại này có cường độ sấy trung bình khoảng 1ữ2 kg ẩm / m2h, lượng hơi tiêu tốn ≥ 2 kg / 1 kg ẩm bay hơi. Ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, có thể sấy được nhiều loại vật liệu khác nhau. Nhược điểm: Làm việc gián đoạn, năng suất thấp, vật liệu sấy ở trạng thái tĩnh, truyền nhiệt kém … Hình 1.24: Máy sấy chân không có cánh. Hình 1.24 Máy sấy chân không có cánh khuấy 1. Thùng hình trụ 2. Vỏ bọc ngoài 3. Trục khuấy 4. Cánh khuấy 5. Cửa nạp liệu và hút chân không 6. ống rỗng được bịt kín cả hai đầu 7. ống tháo sản phẩm Khi sấy vật liệu ở trạng thái tĩnh thì dễ xảy ra hiện tượng quá nhiệt cục bộ, do vật liệu không được tiếp xúc đều với nhiệt. Để khắc phục hiện tượng này người ta tiến hành trong các thiết bị sấy chân không có cánh đảo trộn. Cấu tạo: Gồm thân hình trụ 1, phía ngoài có vỏ bọc, phía trong có cánh khuấy 4 lắp trên trục rỗng 3. Vật liệu được nạp vào thùng qua cửa 5. Các cánh khuấy 4 lắp trên trục với một nửa hướng phải và một nửa hướng trái, cứ sau một thời gian trục cánh khuấy lại đổi chiều quay một lần nên vật liệu từ giữa thùng được đẩy ra hai đầu rồi từ hai đầu được dồn vào giữa thùng. Các ống 6 được bịt kín hai đầu đặt giữa các cánh khuấy và lăn tự do khi thùng quay làm cho việc đảo trộn và nghiền vật liệu tốt hơn. Máy sấy được nối với một thiết bị ngưng tụ và bơm chân không. Quá trình làm việc: Khi cánh khuấy quay, vật liệu được nạp vào bằng tay hay đổ từ thùng chứa vào, sau đó đóng cửa nạp liệu và tạo độ chân không trong thiết bị đồng thời đốt nóng bằng không khí nóng qua vỏ. Hơi ẩm nhờ bơm chân không hút qua thiết bị ngưng tụ, sẽ ngưng tụ ở đó còn khí không ngưng tụ được bơm chân không hút thải ra ngoài. Trước khi kết thúc quá trình sấy vài phút người ta đóng đường hơi đốt, ngắt bơm chân không mở thùng cho thông với khí quyển rồi tháo vật liệu qua ống 7. Ưu điểm: Do có cánh khuấy nên quá trình sấy tăng nhanh, dễ thao tác, có thể thu hồi được dung môi nếu nó có giá trị kinh tế hoặc gây ô nhiễm môi trường. Nhược điểm: Làm việc gián đoạn, thiết bị cồng kềnh và phức tạp, chi phí cho vận hành cao (hay hỏng cánh khuấy và các cơ cấu khác). c. Dùng máy lạnh kết hợp với máy hút ẩm hấp phụ chuyên dụng. Phương pháp này kết hợp máy lạnh và máy hút ẩm. Sơ đồ cấu tạo như trên Hình 1.25a. Máy hút ẩm sử dụng chất hút ẩm để giảm lượng ẩm có trong không khí. Chất hấp phụ được cố định trên một băng giấy rồi quấn lại thành một bánh xe quay có khe hở để dòng không khí đi qua. Bánh xe quay nhờ một động cơ. Khi bánh xe quay thì phía bên hút ẩm chất hút ẩm sẽ lấy ẩm của không khí, còn khi bánh xe quay tới phần nhả ẩm thì một dòng không khí nóng sẽ được thổi qua để lấy ẩm từ chất hút ẩm (giai đoạn hoàn nguyên). Dòng không khí sau khi được hút ẩm có nhiệt độ cao (trên 600C) vì vậy để nhiệm vụ của máy lạnh là giảm nhiệt độ của dòng khí khô và nóng xuống. Dòng khí sau khi đi qua máy lạnh có nhiệt độ thấp và độ ẩm nhỏ. Hình 1.25b: Đồ thị I - d biểu diễn sự thay đổi trạng thái của không khí. Không khí ẩm từ điểm 2, được hút ẩm và làm nóng lên ở điểm 3. Từ đây, không khí khô được giảm nhiệt độ đẳng d xuống điểm 1. Không khí được tiếp xúc với vật sấy. ẩm từ trong vật được hấp thụ bởi dòng khí khô và trạng thái không khí trở về điểm 2. Tạo thành một vòng tuần hoàn của quá trình hoạt động của tác nhân sấy. Ưu điểm: - Khả năng hút ẩm lớn, năng suất hút ẩm cao. Nhược điểm: - Giá thành thiết bị tương đối lớn, ngoài máy hút ẩm còn cần thêm máy lạnh nên chi phí rất cao. - Chất hút ẩm phải được thay thế định kỳ do hao hụt khối lượng và lão hoá chất hút ẩm. Thường đối với sản phẩm của nước ngoài sản xuất một năm thay một lần, còn của Việt Nam thì thời gian thay thế ngắn hơn nhiều. - Trong điều kiện làm việc nhiều bụi, bẩn thì máy cần phải có thời gian ngừng hoạt động để làm sạch cho chất hấp phụ của máy hút ẩm. - Điện năng cho hệ thống rất lớn vì ngoài việc đốt nóng không khí để giúp cho quá trình hoàn nguyên chất hấp phụ, còn phục vụ cho chạy máy lạnh. - Chi phí bảo dưỡng lớn. d. Sử dụng bơm nhiệt - máy nén. Dùng bơm nhiệt - máy nén để tạo ra tác nhân sấy có nhiệt độ và độ ẩm phù hợp cho quá trình sấy. Hình 1.26 mô tả kết cấu một loại buồng sấy sử dụng bơm nhiệt - máy nén. Nguyên lý hoạt động: Không khí ẩm qua buồng sấy có trạng thái điểm 1 được hút qua dàn lạnh của bơm nhiệt. Tại đây xảy ra quá trình trao đổi nhiệt của không khí với tác nhân lạnh. Nhiệt độ của không khí được đưa xuống nhiệt độ đọng sương, ẩm trong không khí đạt trạng thái bão hoà và ngưng tụ lại ở dàn lạnh. Vì vậy độ chứa ẩm d của dòng khí giảm xuống, nhưng do nhiệt độ không khí cũng giảm nên độ ẩm tương đối sau khi đi khỏi dàn nóng cao, khoảng 95%. Điều này được giải thích như sau: Trạng thái không khí nhận được là hỗn hợp của hai dòng không khí, dòng thứ nhất truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt khi tiếp xúc trực tiếp với dàn lạnh có nhiệt độ gần như nhiệt độ bề mặt (cao hơn một ít nhiệt độ bay hơi), dòng thứ hai không tiếp xúc trực tiếp với dàn lạnh nên có nhiệt độ cao hơn. Hai dòng được trộn lẫn với nhau nên nhiệt độ không khí xử lý ở mọi vị trí của dàn lạnh theo hướng chuyển động của nó đều có thể xem là nhiệt độ hỗn hợp. Kết thúc quá trình làm lạnh, không khí ở trạng thái bão hòa nhưng do có quá trình hỗn hợp như trên và nhiệt tỏa từ quá trình ngưng ẩm nên điểm kết thúc không nằm trên đường độ ẩm bão hòa mà dâng cao hơn (nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ đọng sương tương ứng với phân áp suất cuối quá trình xử lý và độ ẩm φ < 100%). Trạng thái không khí điểm 2, được chuyển qua dàn nóng, không khí được đốt nóng đẳng d lên trạng thái điểm 3 (φ3, t3) với độ ẩm φ3 tương đối thấp. Dòng không khí khô này được thổi vào buồng sấy. ẩm từ vật sấy bay hơi và đi vào dòng tác nhân sấy. Sau khi ra khỏi buồng sấy không khí có trạng thái điểm 1 (φ1,t1). Tiếp tục vòng tuần hoàn. Ưu điểm: - Năng lượng của dàn nóng và dàn lạnh đều được tận dụng triệt để. - Giảm được chi phí về thiết bị, vận hành và bảo dưỡng. - Qúa trình hoạt động của thiết bị không bị gián đoạn do không phải thay chất hấp phụ như trong máy bài ẩm. - Tuổi thọ thiết bị cao. Trong khoảng thời gian 10 năm, thiết bị hầu như không cần bảo dưỡng lớn. Sau một thời gian sử dụng, cần vệ sinh dàn ngưng tụ và dàn bay hơi để đảm bảo khả năng trao đổi nhiệt tốt. - Điện năng sử dụng cũng thấp hơn nhiều so với phương pháp dùng máy hút ẩm hấp phụ. Nhược điểm: - Thời gian sấy thường kéo dài. Có thể khắc phục nhược điểm này bằng cách nâng cao tốc độ dòng tác nhân sấy. Vấn đề này cần được nghiên cứu kĩ lưỡng để đảm bảo cho chất lượng sản phẩm sấy được tốt nhất. III. ứng dụng bơm nhiệt trong kĩ thuật sấy. 1. Mục đích. - Xây dựng hệ thống sấy những sản phẩm không chịu được nhiệt độ cao. - Tạo ra chế độ sấy tuỳ ý trong một dải nhiệt độ, cho phép sấy nhiều loại sản phẩm khác nhau. - áp dụng hệ thống điều khiển, giám sát tự động vào quá trình sấy 2. Cơ sở để xây dựng hệ thống. - Dựa vào ưu điểm của bơm nhiệt. - Dựa vào các phương pháp sấy, lựa chọn phương pháp sấy phù hợp với bơm nhiệt và cho một số loại sản phẩm kém chịu nhiệt. - ứng dụng phần mềm điều khiển, giám sát của hãng Rockwell Automation vào hệ thống sấy. 3. Yêu cầu đối với hệ thống sấy. - Nhiệt độ: Hệ thống dùng để sấy các sản phẩm kém chịu nhiệt vì vậy tác nhân sấy sau khi đi qua dàn ngưng tụ của bơm nhiệt có nhiệt độ thấp hơn 600C. - Độ ẩm: Nhiệt độ của quá trình sấy được khống chế thấp, vì vậy để tăng hiệu quả quá trình sấy thì độ ẩm của tác nhân sấy sau khi qua dàn ngưng phải nhỏ hơn 40%. - Tốc độ tác nhân sấy: Tốc độ tác nhân sấy cũng là yếu tố quan trọng. Nếu tốc độ lớn thì sẽ thổi bay vật liệu sấy, nếu nhỏ quá thì thời gian sấy lâu. Vì vậy cần phải lựa chọn quạt phù hợp để cho tốc độ tác nhân đảm bảo được yêu cầu về vận chuyển ẩm từ vật ẩm sang không khí. - Hệ thống phải đảm bảo sự đồng đều ở các vị trí trong buồng, vì vậy thiết kế kênh gió vào, ra để phân bổ gió đồng đều đến các tầng chứa vật liệu. Chất lượng của sản phẩm vì vậy sẽ đồng đều. 4. Định hướng chung. Từ những phân tích như trên chúng em tiến hành đưa ra ý tưởng xây dựng một hệ thống sấy sử dụng chính bơm nhiệt để đốt nóng không khí. Các trang thiết bị sử dụng trong hệ thống: + Hệ thống sấy: - Ba máy nén: Sử dụng loại bơm nhiệt nén hơi vì vậy chúng em lựa chọn ba máy nén nhằm tăng cường hiệu quả cho hệ thống. - Ba dàn ngưng tụ và ba dàn bay hơi: dùng loại dàn có cánhđể tăng cường quá trình trao đổi nhiệt với tác nhân sấy. - ống tiết lưu: Bơm nhiệt trang bị cho hệ thống có công suất nhỏ nên thay vì sử dụng van tiết lưu, chúng em lựa chọn ống mao. - Phin sấy lọc: đường kính trong của ống mao là rất nhỏ, dễ bị tắc do nước và bụi bẩn, dầu mỡ bám vào, nên phải lắp một phin lọc trước ống mao. - Tác nhân lạnh: R22, là loại tác nhân lạnh được sử dụng rộng rãi. - Ba quạt hút: Tuần hoàn tác nhân sấy. + Hệ thống điều khiển, giám sát: - Một bộ PLC điều khiển hệ thống. - Một máy tính giám sát giúp cho người vận hành dễ dàng theo dõi được hoạt động cũng như dùng để vận hành hệ thống. - Các thiết bị đo lường, các cơ cấu chấp hành… Phương pháp sấy: Lựa chọn phương pháp sấy đối lưu tuần hoàn 100% tác nhân sấy. Nguyên lý hoạt động: Không khí ban đầu được đốt nóng bởi dàn ngưng tụ của bơm nhiệt. Tác nhân sấy có độ ẩm tương đối thấp được quạt hút đẩy vào trong buồng sấy. Không khí chảy trùm lên vật sấy và đốt nóng vật sấy. Do sự chênh lệch về thế sấy nên ẩm trên bề mặt vật sấy được bay hơi và cuốn theo dòng tác nhân sấy. Khi đi ra khỏi buồng sấy tác nhân sấy có nhiệt độ giảm và độ ẩm cao. Để tái tuần hoàn, tác nhân sấy yêu cầu phải được giảm độ ẩm xuống, vì vậy dòng tác nhân sấy đó được đưa qua dàn lạnh. ẩm trong tác nhân sấy được ngưng tụ lại trên dàn bay hơi, rồi chảy xuống hệ thống máng. Nước ngưng được gom lại và dẫn ra ngoài. Tác nhân sấy sau khi được giảm độ ẩm lại cho qua dàn ngưng để đốt nóng lên và tiếp tục thực hiện vòng tuần hoàn kín. Chúng ta biết rằng công suất của dàn ngưng cộng thêm nhiệt tỏa từ quạt luôn luôn lớn hơn công suất của dàn bay hơi, nên không khí qua mỗi lần tuần hoàn nhiệt độ sẽ tăng dần lên. 5. Ưu điểm chính của hệ thống. - Hệ thống sử dụng cả dàn nóng và dàn lạnh của bơm nhiệt nên hiệu quả sử dụng của bơm nhiệt là rất cao. Ngoài ra nó cũng bao gồm cả những ưu điểm vốn có của bơm nhiệt như đã nói ở trên. - Hệ thống sấy được thiết kế là hệ thống sấy đối lưu tuần hoàn toàn bộ tác nhân sấy nên quá trình sấy không phụ thuộc và điều kiện không khí bên ngoài; rất phù hợp cho vùng không khí ẩm như ở Việt Nam; sản phẩm sấy sạch, không bị ô nhiễm bởi bụi và hoá chất có trong không khí; sản phẩm sấy vẫn giữ được hương vị tự nhiên. - Nhiệt độ của tác nhân sấy khống chế nhỏ hơn 600C, độ ẩm tác nhân từ 30-40% rất phù hợp với các sản phẩm kém chịu nhiệt, dễ cong, vênh, nứt, vỡ. Sản phẩm vẫn giữ nguyên được màu sắc. - Ưu điểm nổi bật của hệ thống là được trang bị hệ điều khiển, giám sát của hãng Rockwell Automation. Hệ thống sấy được kết nối máy tính, rất dễ dàng để theo dõi và điều khiển. Hệ thống có thể hoạt động theo: chế độ thủ công, chế độ nhiệt cao, hay chế độ tự động, điều này mang lại tính linh hoạt cho hệ thống. Sử dụng các chế độ khác nhau đó để thí nghiệm, khảo sát quá trình sấy đối với một số loại sản phẩm sấy tương tự nhau, và tìm ra chế độ tối ưu cho mỗi loại sản phẩm. Vì luôn được theo dõi và kiểm tra như vậy, chất lượng sản phẩm sấy thu được rất cao và đồng đều. IV. Kết luận. - ưu điểm của việc sử dụng bơm nhiệt máy nén là tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi sinh. - Việc ứng dụng bơm nhiệt vào quá trình sấy nhiệt độ thấp là rất phù hợp, nâng cao chất lượng các sản phẩm kém chịu nhiệt. - Hệ thống sấy hiện đại, được vận hành dưới sự điều khiển giám sát trực tiếp bằng máy tính, rất tiện lợi, mang lại tính hiệu quả và ổn định cao. Chương II Cơ sở tính toán, thiết kế, chế tạo và thực nghiệm. I. Cơ sở tính toán, thiết kế: Qua những phân tích như trên ta nhận thấy ưu điểm lớn nhất : - Bơm nhiệt là hiệu quả về năng lượng. - Hệ thống sấy tuần hoàn 100% tác nhân sấy là sản phẩm sấy không phụ thuộc vào điều kiện môi trường, và thu hồi hương liệu. Vì vậy, chúng ta đi xây dựng mô hình thực nghiệm hệ thống sấy bơm nhiệt tuần hoàn toàn bộ tác nhân sấy với mục đích : - Khảo sát quá trình động học sấy lý thuyết và thực nghiệm. - Thực hiện sấy các sản phẩm kém chịu nhiệt. - Đặc biệt, xây dựng hệ thống điều khiển, giám sát tự động hiện đại. 1. Cơ sở tính toán máy sấy bơm nhiệt. Sơ đồ nguyên lý chung: Khi làm việc hệ thống thực hiện 2 chu trình tuần hoàn kín ngược chiều: - Tác nhân lạnh tuần hoàn kín nhờ máy nén. - Tác nhân sấy tuần hoàn kín nhờ quạt. (φ3,t3) G(kg/s) (φ1,t1) (φ2,t2) Hình 2.1:Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy bơm nhiệt. Tác nhân sấy ban đầu có độ ẩm khá cao có trạng thái điểm 2(φ2,t2,d2) tuần hoàn qua dàn bay hơi với lưu lượng G(kg/s).Tại đây xảy ra quá trình trao đổi nhiệt giữa tác nhân sấy và tác nhân lạnh. Nhiệt độ dàn lạnh thấp đưa nhiệt độ tác nhân sấy xuống thấp hơn nhiệt độ đọng sương nên ẩm trong không khí đạt đến trạng thái bão hoà,ẩm sẽ ngưng tụ tại dàn bay hơi và thoát ra ngoài. Hình 2.2 : Chu trình kín của tác nhân sấy. Tác nhân sấy sau khi qua dàn bay hơi có trạng thái điểm 3(φ3,t3,d3) tiếp tục đi qua dàn ngưng. Tại dàn ngưng tác nhân lạnh có nhiệt độ cao hơn truyền cho tác nhân sấy làm nhiệt độ tác nhân sấy tăng và độ ẩm giảm mạnh.Sau dàn ngưng tác nhân sấy có trạng điểm 1(φ1,t1,d1) với độ ẩm thấp vào buồng sấy thực hiện quá trình sấy. Tác nhân sấy đi qua buồng sấy nhận hơi nước từ vật sấy nên trạng thái của nó là điểm 2(φ2,t2,d2). Như vậy, quá trình sấy 1-2-3-1 là chu trình kín của tác nhân sấy. Chu trình tác nhân lạnh là chu trình Cacno ngược, biểu diễn trên đồ thị P – i. Trạng thái hơi tác nhân sau thiết bị bay hơi là hơi quá nhiệt điểm 1’ (P1’,T1’,i1’). Máy nén nén đoạn nhiệt hơi tác nhân đến trạng thái điểm 2’(P2’,T2’,i2’), hơi tác nhân tiếp tục được đẩy đến dàn ngưng, tại đây do truyền nhiệt cho tác nhân sấy nên ngưng tụ thành trạng thái lỏng điểm 3’(P3’,T3’,i3’). Qua dàn ngưng, tác nhân lạnh đến van tiết lưu giảm áp, giảm nhiệt, đẳng entanpi. Điểm 4’ là trạng thái hơi tác nhân sau VTL qua dàn bay hơi có trạng thái điểm 1’. Như vậy 1’-2’-3’-4’-1’ là chu trình kín của tác nhân lạnh. Hình 2.3 : Chu trình kín của tác nhân lạnh. 2. Tính thiết kế máy sấy: Xây dựng mô hình thực nghiệm đối với sản phẩm cà rốt (CR) với các thông số: Nhiệt độ TNsấy (0C) Độ ẩm ban đầu CR(%) Độ ẩm cuối CR(%) Năng suất sấy (g) Thời gian sấy(h) Độ ẩm tương đối TNS (%) 48 u1= 89 u2= 14 6 000 10 34 Các bước tính thiết kế: 1 - Tính lượng ẩm bay hơi từ vật sấy theo năng suất đã cho. Ta có : [59 – I] m1, m2- khối lượng vật sấy trước và sau khi sấy. ω1, ω2 - độ ẩm của vật sấy trước, sau khi sấy. => m2 = m1= 6. = 0,77(kg/mẻ) Khối lượng giảm đi của vật sấy đúng bằng lượng nước đã bay hơi. ΔU = m1- m2 = 6 – 0,77 = 5,23 (kg/mẻ). - Do đó lượng ẩm bốc hơi trung bình. ΔUtb= = = 0,523(kg/h). Chọn ΔUtt = ΔUtb τ : thời gian sấy(h). - Các thông số của tác nhân sấy. Do tác nhân sấy là không khí nên các thông số ban đầu của tác nhân sấy là các thông số môi trường : + Nhiệt độ : tmt= 300C + Độ ẩm : φmt = 84% Theo công thức Antoine: Pb= exp {12-} [ X ] Pb = exp{12-} = 0,042(bar). Độ chứa ẩm của không khí : d = 0,622 = 0,023(kg/kg.kk khô) = 23 (g/kg.kk khô) P : áp suất khí trời 745 mmHg Entanpi của không khí ẩm: Im = ik + d.ih = Ck.t + d(rh + Ch.t) = t +(2500 + 1,86.t)d = 30 + (2500 + 1,86.30).0,023 = 88,78 kJ/kg.kk. - Tác nhân sấy trước khi vào buồng sấy: t1 = 480C ; φ1 = 24% Tính tương tự như trên ta có : Pb1 = 0,11 (bar); d1 = 17 (g/kg.kk khô.) I1 = 92 (kJ/kg.kk ). - Tác nhân sấy sau quá trình sấy lí thuyết: Nhiệt độ tác nhân sấy sau khi qua buồng sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố như : cấu trúc vật sấy, độ ẩm, nhiệt độ ban đầu vật sấy, nhiệt độ, độ ẩm, vận tốc tác nhân sấy khi đi qua buồng sấy. Ta chọn : t2 = 370C , φ2 = 50 %. Tính tương tự : Pb2 = 0,0623(bar) d2 = 20(g/kg.kk khô) I2 = 88,7(kJ/kg.kk ) Dựa vào đồ thị I-d của quá trình sấy ta có: Tác nhân sấy sau khi qua dàn bay hơi: d3 = d1= 17(g/kg.kk khô) và độ ẩm tương đối: φ3 = 95 %.Từ đó ta tính được: t3 = 220C Tính tương tự ta có: Pb3 = 0,027(bar) I3 = 65,2(kJ/kg.kk) Trạng thái TNS Nhiệt độ TNS t (0C) áp suất bão hoà Pb (bar) Độ ẩm tương đối φ (%) Độ chứa ẩm TNS d(g/kg.kk khô) Entanpi TNS I(kJ/kg.kk) Điểm 1 48 0,11 24 17 92 Điểm 2 37 0,0623 50 20 88,7 Điểm 3 22 0,027 95 17 65,2 2- Tính lưu lượng cần thiết cho quá trình sấy. Để xác định lưu lượng không khí cần thiết cho quá trình sấy, ta thiết lập phương trình cân bằng vật chất : Ta có: m1. ω1 + G1.d1 = m2. ω2 + G2.d2 [63 - I] m1. ω1 - m2. ω2 = G2.d2 - G1.d1. mà : m1. ω1 - m2. ω2 = = G2.d2 - G1.d1. Trong đó : d1, d2 : hàm ẩm của không khí vào và ra (g/kg.kk.khô). G1, G2: khối lượng không khí vào và ra (kg/h). Do hệ thống sấy tuần hoàn toàn bộ tác nhân sấy (bỏ qua tổn thất) ta có : G1 = G2 = G. = G.(d2- d1). Lượng không khí khô tiêu tốn để làm bay hơi 1 kg ẩm: G’= = 0,33 (kg.kk/g ẩm) = 330 (kg.kk/kg ẩm). Lượng không khí cần cho quá trình sấy : G = G’.ΔU =330. 0,523 = 172,6 (kg/h). 3 - Tính chọn kích thước buồng sấy. Tác nhân trước và sau buồng sấy: t1 = 480C, φ1 = 24%. t2 = 370C , φ2 = 50%. Tra bảng 7.10 [718 - VIII] 1 = 1,074(kg/m3) ; 2 = 1,1105(kg/m3) 1 = 1/1= 0,931(m3/kg) 2 = 1/2= 0,9(m3/kg). Lưu lượng thể tích tác nhân sấy trước và sau buồng sấy: V1 = G. 1 = 172,6.0,931 = 160,7(m3/h). V2= G. 2 = 172,6.0,9 = 155,34(m3/h). Lưu lượng thể tích trung bình của tác nhân sấy tại buồng sấy: V0 = == 158,02(m3/h). Lựa chọn kích thước buồng sấy : L x B x H = 800 x 500 x500 Tiết diện trống tự do tác nhân sấy đi trong buồng sấy bằng 1/4 tiết diện buồng sấy.Tốc độ tác nhân sấy trong buồng sấy : v = V/ [0,5x0,5/4] = 2528,32 (m/h) v = 0,7(m/s). Lưu lượng quạt gió cần thiết là: chọn Vq = 160 (m3/h) = 0,044(m3/s). 4 - Tính tổn thất nhiệt của hệ thống sấy. Để tính toán cho hệ thống sấy ta dựa vào phương trình cân bằng nhiệt : Tổng nhiệt lượng mang vào bằng tổng nhiệt lượng mang ra khỏi buồng sấy. G.I1 + m1.C1.t1 + = G.I2 + m2.C2.t2 + + QT. Trong đó : G.I1 : Nhiệt lượng do không khí trước buồng sấy; G.I2 : Nhiệt lượng do không khí sau buồng sấy; m1.C1.t1 : nhiệt lượng do vật sấy ẩm ban đầu mang vào; m2.C2.t2 : nhiệt lượng do sản phẩm sau khi sấy; : nhiệt lượng do khay và giá đỡ trước khi sấy; : nhiệt lượng do khay và giá đỡ sau khi sấy (=, C1’ = C2’). QT : nhiệt lượng tổn thất qua vách buồng sấy; Ta có : m1.C1.t1 = m2.C2.t2 + .Cn.t1. G.(I1 - I2 ) = m2.C2.(t2 - t1) + + QT - .Cn.t1 a - Nhiệt lượng tổn thất do vật sấy : Nhiệt dung riêng của cà rốt : Ccr = 3,72._.