Báo cáo khoa học: "Quá trình làm lạnh và tách ẩm trong sấy lạnh dùng bơm nhiệt" pdf

Quá trình lm lạnh v tách ẩm
trong sấy lạnh dùng bơm nhiệt

ThS. nguyễn mạnh hùng
Bộ môn Kỹ thuật nhiệt
Khoa Cơ khí - Trờng ĐH GTVT
PGS. TS. nguyễn đức lợi
Đại học Bách khoa H Nội

Tóm tắt: Bi báo bn về quá trình lm lạnh v tách ẩm từ dòng không khí đi qua dn bay
hơi bơm nhiệt dùng trong hệ thống sấy v trong dn lạnh dùng nớc lạnh hoặc nớc muối lạnh
có hớng chuyển động cùng chiều hoặc ngợc chiều. Từ hiệu quả của trao đổi nhiệt ngợc
chiều, bi báo cũng đề nghị một hệ thống mắc nhiều bơm nhiệt nối tiếp để tiết kiệm năng lợng
vận hnh.
Summary: The article discus on the process of Refrigeration and Dehumiditation of the
airstream in the evaporator of a heat pump using in a drying system and in a cooler using cold
water or cold brine with parallel and counter flow. From the effectiveness of the counterflow
heat exchanger the article propose a system of many separate heat pump connection in row to
save energy.
i. Mở đầu
Có nhiều tài liệu [1, 2, 3] đã đề cập đến
quá trình làm lạnh và tách ẩm trong sấy lạnh
dùng bơm nhiệt nói riêng và trong kỹ thuật sấy
dùng bơm nhiệt nói chung. Theo chúng tôi,
cần bàn luận thêm về cách lý giải trong [2 và
3] về đờng cong biến đổi trạng thái không
khí. Vì quá trình làm lạnh và tách ẩm trong sấy
lạnh dùng bơm nhiệt là rất quan trọng nên
chúng tôi cũng đi sâu nghiên cứu về vấn đề
này. Sau đây là những kết quả nghiên cứu đó.

ii. Nguyên lý hệ thống sấy bơm nhiệt
Hình 1 giới thiệu nguyên lý hệ thống sấy
dùng bơm nhiệt. Gió ẩm từ buồng sấy đợc
quạt đẩy vào dàn lạnh. ở đây, gió đợc làm
lạnh và khử ẩm, sau đó đợc sởi ấm đẳng
dung ẩm ở dàn nóng rồi đợc phân phối đều
vào buồng sấy. Trong buồng sấy, gió nhận
ẩm của sản phẩm thành không khí ẩm và
đợc đa trở lại dàn lạnh để làm lạnh và tách
ẩm, khép kín vòng tuần hoàn. Nớc thoát ra ở
dàn lạnh đợc gom vào khay và dẫn vào
thùng chứa định lợng. Nhờ lợng nớc ngng
thu đợc ngời ta biết đợc giai đoạn sấy và
thời gian kết thúc nếu sấy theo mẻ. Sấy bằng
bơm nhiệt là quá trình sấy kín. Tác nhân sấy
là không khí không đi qua biên của buồng sấy
nh những phơng pháp sấy thông thờng.
Giá xếp sản phẩm
Buồng sấy
Khay nớc ngng
Dàn
nóng
Dàn
lạnh
Quạt
ống gió
Máy nén
TL

Hình 1.

iii. Phân loại quá trình lm lạnh
tách ẩm trong dn lạnh
Có thể phân loại quá trình làm lạnh tách
ẩm ở dàn lạnh theo nhiệt độ dàn lạnh. Nhiệt
độ dàn lạnh có thể bằng, thấp hơn và cao hơn
nhiệt độ điểm sơng.

Cũng có thể phân loại quá trình tách ẩm
ở dàn lạnh theo sự biến đổi nhiệt độ ở các
hàng ống trong dàn lạnh nớc muối hoặc
nhiều dàn lạnh trực tiếp đặt nối tiếp nhau. Sau
đây chúng ta sẽ xét một số trờng hợp đó.
3. 1. Nhiệt độ bề mặt dàn lạnh lớn hơn
nhiệt độ điểm sơng
Trờng hợp này, không khí không có khả
năng tách ẩm. Không khí chỉ có thể đợc làm
lạnh đẳng dung ẩm với độ ẩm tơng đối tăng.
Với giả thiết bề mặt dàn lạnh có nhiệt độ
giống nhau, trạng thái của không khí ra càng
gần điểm 2, khi bề mặt trao đổi nhiệt của dàn
lạnh càng lớn (xem hình 2).
1
2
2
s
t
S
d
1
=

d
i
= 100%

2
d

Hình 2.
Trờng hợp nhiệt độ dàn lạnh cao hơn
nhiệt độ điểm sơng thì không khí chỉ có thể
đạt đến điểm 2 là điểm có nhiệt độ bề mặt
dàn lạnh. Các điểm trên đờng 1 - 2 biểu diễn
trạng thái hoà trộn sau mỗi hàng ống của dàn
lạnh. Nếu dàn lạnh có nhiệt độ t
S
thì không khí
sẽ đạt đến điểm 2
S
có nhiệt độ t
S
và độ ẩm
tơng đối đạt 100% nhng vẫn không có đọng
sơng trên bề mặt lạnh, tuy bề mặt lạnh có
thể lớn vô hạn.
3. 2. Nhiệt độ bề mặt dàn lạnh nhỏ hơn
nhiệt độ điểm sơng
Hình 3 biểu diễn quá trình này. Khi nhiệt
độ bề mặt dàn lạnh thấp hơn nhiệt độ điểm
sơng t
S

với giả thiết nhiệt độ dàn lạnh không
đổi, ví dụ, dàn lạnh bay hơi trực tiếp có nhiệt
độ bay hơi t
0
không đổi hoặc dàn nớc phun
với nhiệt độ nớc phun là đồng đều.
d
i
1
2
2
2
2
t
'
''
'''
S
= 100%


Hình 3.
Quá trình biến đổi trạng thái này nằm
trên đờng thẳng nối liền giữa điểm 1 và điểm
2. Bề mặt trao đổi nhiệt càng lớn, trạng thái
không khí ra khỏi dàn lạnh càng xích gần đến
điểm 2 nằm trên đờng bão hoà. Các điểm 2',
2", 2''' là các điểm hoà trộn giả thiết sau mỗi
hàng ống của không khí đi vòng và không khí
tiếp xúc với bề mặt dàn lạnh.

Nh vậy, muốn làm lạnh và khử ẩm nhất
thiết phải có nhiệt độ bề mặt dàn lạnh thấp
hơn nhiệt độ đọng sơng. Lợng ẩm tách ra là
d
1
- d
2
.
3.3. Nhiệt độ dàn lạnh thay đổi và
không khí chuyển động ngợc chiều với
chất tải lạnh
Hình 4 biểu diễn quá trình thay đổi trạng
thái không khí nhiệt độ dàn lạnh thay đổi (ví
dụ dàn nớc muối lạnh) chuyển động ngợc
chiều với dòng không khí đợc làm lạnh. ở
hàng ống a, nhiệt độ nớc muối là t
a
, nhiệt độ
không khí là t
1
. Giả thiết có 15% không khí có
trao đổi nhiệt với bề mặt lạnh và đạt nhiệt độ
ta. Khi hoà trộn với 85% không khí đi vòng
qua dàn lạnh, ta đợc điểm hoà trộn 2' nằm
trên đờng thẳng nối giữa điểm 1 và t
a
. ở
hàng ống b cũng vậy. ở đây điểm hoà trộn 2"
nằm trên đờng thẳng nối giữa điểm 2" và t
b

.
Tơng tự điểm 2''' nằm trên đờng thẳng nối
giữa điểm 2" và t
c
, điểm 2 (không khí ra khỏi
dàn) nằm trên đờng thẳng nối hai điểm 2''' và

t
d
. Trạng thái không khí biến đổi theo 1 đờng
cong lõm. Và nếu bề mặt trao đổi nhiệt là vô
hạn thì trạng thái không khí ra tiến gần đến
điểm t
d
nằm trên đờng bão hoà.
1
'''
2
2
''
'
2
2
t
S
a
t
b
t
c

t
d
t
ab
cd
d
i
= 100%

Chất tải lạnh
Không
khí

Hình 4.
3.4. Nhiệt độ dàn lạnh thay đổi và
không khí chuyển động cùng chiều với
chất tải lạnh
t
d
S
Chất tải lạnh
khí
t
t
a
dc
ba
t
c
b

Không
d
= 100%
2
2
2

t
2
'''
''
1
'

Hình 5.
Hình 5 biểu diễn quá trình thay đổi trạng
thái của không khí khi nhiệt độ dàn, chất tải
lạnh thay đổi và dòng không khí chuyển động
cùng chiều với chất tải lạnh. Các hàng ống
vẫn bố trí nh hình 4, dòng không khí vẫn đi từ
phải sang trái. Khi đó hàng ống a sẽ có nhiệt
độ lạnh nhất, mà không khí lại có nhiệt độ cao
nhất nên điểm hoà trộn 2' nằm trên đờng
thẳng nối điểm 1 và t
a
. Điểm hoà trộn 2" nằm
trên đờng nối điểm 2't
b
và tơng tự điểm hoà
trộn 2''' nằm trên đờng nối 2 điểm 2''t

c
và
điểm không khí ra 2 là điểm hoà trộn nằm trên
đờng nối giữa 2''' và t
d
. Ta dễ dàng nhận thấy
đây là 1 đờng cong lồi. So sánh hiệu quả khử
ẩm ta thấy trực quan là chuyển động ngợc
dòng hiệu quả hơn.
Để tăng cờng hiệu quả tách ẩm và giảm
tổn thất exergy ta có thể thiết kế nhiều bơm
nhiệt nối tiếp để tăng hiệu quả tách ẩm với
nhiệt độ bay hơi và ngng tụ khác nhau có
chủ định nh giới thiệu trong hình 6.
40
20
0
40
0
C
C
t,
0
30
C
0
0
0
C
-10

C
0
Biến thiên nhiệt độ
không khí
20
0
C
t
0
=
0 C
0
-40 C
=t
0
0
30 C
=t
R
0
40 C
=t
R
0
Không khí
ra 25 C
0

Hình 6.
iv. kết luận

Với các phơng án bố trí bơm nhiệt
không khí/không khí với nhiệt độ bay hơi khác
nhau liên tiếp có thể tạo ra đợc hiệu quả của
thiết bị trao đổi nhiệt ngợc chiều, giảm tiêu
thụ điện năng đáng kể. Chúng tôi sẽ bàn đến
vấn đề này ở một bài báo sau.
Tài liệu tham khảo
[1]. Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tuỳ. Hệ thống sấy
lạnh dùng bơm nhiệt ở Haihaco - Tạp chí KHCN
Nhiệt, số 2 năm 1998.
[2]. Phạm Văn Tuỳ, Nguyễn Thanh Liêm, Dơng
Văn Vờng. Bơm nhiệt không khí/không khí với
công nghệ hút ẩm và sấy khô. Tạp chí KHCN
Nhiệt, số 5 năm 2001.
[3]. Phạm Văn Tuỳ, Nguyễn Thanh Liêm, Nguyễn
Phong Nhã. Khả năng sấy lạnh và khử ẩm của
bơm nhiệt không khí /không khí. Tuyển tập công
trình khoa học, Hội nghị Khoa học ĐH Bách khoa
Hà nội, tháng 10 năm 2001