Nghiên cứu, thiết kế mẫu thiết bị sấy hạt nông sản sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ năng lượng mặt trời ở khu vực miền trung

Phần 1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Hiện nay, an ninh năng lượng đã và đang trở thành vấn đề cấp thiết của
thời đại. Nguồn năng lượng mới đã được nghiên cứu và sử dụng đó là: năng
lượng gió, năng lượng mặt trời (NLMT), năng lượng địa nhiệt, năng lượng từ
sinh khối Trong đó vấn đề quan tâm nhất là nguồn năng lượng nhiệt hạch từ
mặt trời.
Năng lượng mặt trời đã được ứng dụng trong một số ngành khoa học, kỹ
thuật và đời sống. Vì đây là nguồn năng lượng có tiềm năng lớn và là nguồn
năng lượng sạch. Nên việc sử dụng năng lượng mặt trời sẽ là một trong các giải
pháp thay thế cho nguồn nhiên liệu hoá thạch đang ngày càng cạn kiệt.
Nước ta là một nước nông nghiệp. Nông sản sau khi thu hoạch nếu chưa
được làm khô đúng mức thuận tiện cho việc bảo quản lâu dài thì sự tổn thất tương
đối lớn. Ta có thể giảm độ ẩm cho nông sản bằng nhiều cách: có thể phơi trực tiếp
dưới nắng mặt trời. Đây là phương pháp đơn giản và chi phí thấp nhất nhưng lại có
nhiều nhược điểm: phụ thuộc vào thời tiết, chất lượng nông sản kém, làm khô
không đều, nhiều khi khô quá mức do trong những ngày nắng nóng, chậm khô khi
gặp thời tiết xấu, dễ bị côn trùng, sâu mọt phá hoại, dễ bị nhiễm bẩn. Chính vì vậy
mà nông sản khó đạt được độ ẩm giới hạn khi bảo quản.
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới với tiềm năng bức xạ mặt trời vào
loại cao trên thế giới. Trong đó tỉnh Thừa Thiên Huế nói riêng và khu vực miền
Trung nói chung, cường độ bức xạ tương đối lớn. Tuy nhiên, người dân chỉ mới
biết tận dụng NLMT một cách thủ công và họ chưa hiểu rỏ về việc dùng NLMT
để thay thế các nguồn năng lượng khác.
Do đó việc nghiên cứu, thiết kế các thiết bị sấy sử dụng NLMT có ý nghĩa
khoa học và thực tiễn đối với đời sống của người dân.
Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế
mẫu thiết bị sấy hạt nông sản sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ năng lượng
mặt trời ở khu vực miền Trung”
Phần 2. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
2.1. Một số khái niệm và định nghĩa về bức xạ mặt trời
2.1.1. Một số khái niệm

*Mặt trời, cấu tạo của mặt trời:
Hình 2.1. Mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.10^6km (lớn hơn
110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.10^6km (bằng một đơn vị thiên
văn AU ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến trái
đất). Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.10^30kg. Nhiệt độ T
o
trung tâm mặt
trời thay đổi trong khoảng từ 10.10^6K đến 20.10^6K, trung bình khoảng
156.10^5K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự
thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các
hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân
tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát
tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà
khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng mặt trời.
*Cường độ bức xạ (CĐBX), E
n
(W/m
2
): Là cường độ năng lượng bức xạ mặt
trời đến một bề mặt tương ứng với một đơn vị diện tích của bề mặt.
*Năng lượng bức xạ (NLBX), (J/m
2
): Là một đại lượng bằng tích phân của
cường độ bức xạ trong một khoảng thời gian nhất định (thường là 1giờ hay
1ngày).
* Tổng bức xạ mặt trời lên một bề mặt đặt trên trái đất bao gồm 2 phần chính đó
là trực xạ và tán xạ
- Phần trực xạ: Là phần bề mặt nhận được ánh sáng chiếu trực tiếp.
- Phần tán xạ: Hướng của bức xạ khuếch tán truyền tới bề mặt là hàm số của độ

mây và độ trong suốt của khí quyển. Các đại lượng này thay đổi khá nhiều.
Có thể xem bức xạ tán xạ là tổng hợp của ba thành phần:
+ Thành phần tán xạ đẳng hướng: Phần tán xạ nhận được đồng đều từ toàn bộ
vòm trời.
+ Phần tán xạ quanh tia: Phần tán xạ bị phát tán của BXMT xung quanh
tia mặt trời.
+ Phần tán xạ chân trời là : Phần tán xạ tập trung gần đường chân trời.
*Hằng số mặt trời(HSMT): HSMT được định nghĩa là CĐBX đo được
trong không gian nằm ngoài lớp khí quyển bao quanh trái đất trong một đơn vị
thời gian, trên một đơn vị diện tích bề mặt đặt vuông góc với tia bức xạ. Người
ta đã xác định dược HSMT có giá trị bằng E
sn
=1.353W/m
2
,tương đương với
1940Cal/cm
2
/phút, hay 4.871kJ/m
2
/h. Tuy nhiên khi đến mặt đất, do bị hấp thụ
và tán xạ nên CĐBX giảm đi đáng kể. Theo [6] cụ thể E
n
=500 ÷1000W/m
2.

2.1.2. Định nghĩa về bức xạ mặt trời:
Bức xạ mặt trời là nguồn năng lượng nguyên thủy của hầu hết các
quá trình vận động vô sinh và hữu sinh trên trái đất. Các quá trình vo sinh
như hoạt động của máy móc, các quá trình vật lý khí quyển ,
Hình 2.2. Cấu trúc của mặt trời

Các biện pháp thu năng lượng mặt trời phục vụ đời sống là:
- Chuyển bức xạ mặt trời sang nhiên liệu thực vật nhờ thực hiện quá trình quang
hợp (trồng cây làm chất đốt, trồng cây lấy hạt có dầu, chuyển thành nhiên liệu )
- Chuyển bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ các pin mặt trời (sử dụng
hiệu ứng quang điện do Becquerl phát hiện từ năm 1939 biến đổi trực tiếp năng
lượng mặt trời thành dòng điện).
- Chuyển bức xạ mặt trời thành nhiệt năng (hiệu ứng quang nhiệt), đây
là phương pháp hiệu quả nhất trong lĩnh vực sử dụng năng lượng mặt trời.Trong
nhiều thiết bị hiệu suất chuyển đổi có thể đạt trên 60%. Nhiệt năng tạo thành có
thể sử dụng cho nhiều mục đích như nấu nướng, đun nóng nước hay các chất
lỏng khác, sấy các sản phẩm nông nghiệp hay công nghiệp, làm lạnh và điều hòa
không khí.
2.2. Những yếu tố ảnh hưởng đến cường độ bức xạ trên mặt đất
2.2.1. Tỷ khối khí m
Tỷ khối khí m là tỉ số của quãng đường xuyên qua lớp khí quyền từ một
điểm bất kì trên mặt đất nhìn thấy so với quãng đường cũng xuyên qua lớp khí
quyển theo phương xuyên tâm của trái đất.
2.2.2. Sự suy giảm cường độ bức xạ mặt trời khi xuyên qua lớp khí quyển
Khi phân tích các số liệu BXMT phát ra từ bề mặt mặt trời ở bên ngoài
lớp khí quyển trong nhiều năm người ta thấy cường độ BXMT thay đổi rất ít,
khoảng 1%. Vì vậy, khi xét cho quá trình dùng cho mục đích năng lượng, thì sự
thay đổi này có thể bỏ qua. Tuy nhiên, khi BXMT xuyên qua lớp khí quyển thì
cường độ của chúng suy giảm đáng kể là do bị hấp thụ hơi nước hay do bị tán xạ
khi gặp các phân tử khí như O
2
,O
3,
CO
2,
NO

2.
, các hạt bụi bay lơ lửng trong
không khí hay các phân tử khác, hoặc khi xuyên qua các đám mây
2.2.3. Ảnh hưởng bởi khoảng cách giữa mặt trời và trái đất
+ Khoảng cách giữa mặt trời và trái đất có ảnh hưởng đến CĐBXMT. Để
xem ảnh hưởng của quả đất và mặt trời đến cường độ BXMT trên mặt đất, khi
quả đất chuyển động trên quỹ đạo của nó trong chu kì một năm. Sự định hướng
của trục quả đất cùng với sự chuyển động của nó xung quanh mặt trời và xung
quanh trục riêng của nó, dẫn tới sự thay đổi khoảng cách giữa quả đất và mặt
trời, và tức là thay đổi CĐBXMT trên bề mặt quả đất hằng ngày, hàng tháng,
hàng mùa trong năm.
+ CĐBXMT phụ thuộc vào khoảng cách tương đối giữa mặt trời và điểm
quan sát trên trái đất. Trong một ngày khoảng cách này sẽ giảm dần cho đến khi
mặt trời lặn. Như vậy, CĐBX tương ứng sẽ tăng dần trong buổi sáng cho đến khi
đạt giá trị lớn nhất E
max
vào giữa trưa sau đó giảm dần vào buôi chiều.
2.3. Các nguyên lý sử dụng năng lượng mặt trời
2.3.1. Nguyên lý chuyển hoá quang nhiệt: Là phương pháp chuyển bức
xạ mặt trời sang nhiệt năng. Quá trình này dựa vào 2 nguyên lý sau:
* Nguyên lý hội tụ bức xạ tiêu điểm:
- Hội tụ theo điểm: Là các thiết bị trong gương cầu lõm có dạng paraboloit
tròn xoay, mặt trong có độ phản xạ cao nhờ tập trung vào tiêu điểm, Nhiệt độ từ vài
trăm đến 3000
0
C.
- Hội tụ theo đường: Là các thiết bị dùng gương hình lòng máng dài, mặt cắt
ngang có dạng parabol, mặt phản xạ phía trong làm hội tụ bức xạ mặt trời theo
đường tiêu cự.
Ví dụ:

Hình 2.3. Bếp mặt trời dùng gương lõm hội tụ tiêu điểm
* Nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính:
Bộ phận thu nhiệt là một hộp có nắp đậy vật liệu trong suốt như kính hoặc
vật liệu tổng hợp (polyetylen hoặc nhựa cứng), mặt đáy là kim loại được bôi đen.
Khi bức xạ mặt trời chiếu qua mặt trong suốt thì hầu như toàn bộ bức xạ
xuyên qua vào trong hộp làm nóng bề mặt bôi đen, mặt đen hấp thụ nhiệt và phát ra
bức xạ nhiệt, nếu không có nắp trong suốt ngăn lại thì bức xạ nhiệt toả ra môi
trường và nhiệt độ của mặt hấp thụ ổn định ở nhiệt độ không cao (70
0
C).
Ví dụ:

Hình 2.4. Bếp mặt trời kiểu tấm đơn giản
2.3.2. Nguyên lý chuyển hoá quang điện
Là quá trình biến NLMT trực tiếp thành năng lượng điện trong
pin mặt trời. Cơ sở của nguyên lý là các cơ cấu vật lý điện tử trong kỹ
thuật Transistor của vật liệu bán dẫn.
Hình 2.5. NLMT chuyển hoá thành điện năng
Hiệu ứng quang điện (Tiếng Anh: Photoelectric effect) là một
hiện tượng điện - lượng tử, trong đó các điện tử được thoát ra khỏi
vật chất sau khi hấp thụ năng lượng từ các bức xạ điện từ. Hiệu ứng
quang điện đôi khi được người ta dùng với cái tên Hiệu ứng Hertz,
do nhà khoa học Heinrich Hertz tìm ra.
Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đưa tới những bước quan trọng
trong việc tìm hiểu về lượng tử ánh sáng và các electron, cũng như tác động đến
sự hình thành khái niệm lưỡng tính sóng hạt.
Hiện tượng: Khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ
điện từ có tần số lớn hơn một tần số ngưỡng (tần số ngưỡng này là giá trị đặc
trưng cho chất làm nên tấm kim loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ
các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện). Khi các điện tử bị bật

ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external
photoelectric effect). Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ
hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để
vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát). Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của
bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử. Ở một số chất khác, khi được chiếu
sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt,
mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn)
chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiêu ứng quang điện trong
(external photoelectric effect). Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn
điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn.
Ví dụ:
Hình 2.6. Một bộ pin mặt trời(áp dụng nguyên lý chuyển hóa quang điện)
2.4. Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới, trong nước và
tỉnh Thừa Thiên Huế
2.4.1. Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và trong nước
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất
sớm, nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì
mới chỉ thực sự vào cuối thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng
lượng mặt trời, những vùng sa mạc. Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế
giới năm 1968 và 1973, NLMT càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công
nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT. Các ứng
dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:

Hình 2.7. Hệ thống pin mặt trời tại một nhà máy ở Montesquieu (Pháp)
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị
biến đổi quang điện. Pin mặt trời có ưu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu
có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng NLMT dưới
dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển.
Ngày nay con người đã ứng dụng pin NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn
năng lượng truyền thống.

Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện nay
khoảng 5USD/WP, nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới chỉ
có khả năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu, xa
nơi mà đường điện quốc gia chưa có.
Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành
công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu
cầu sinh hoạt và văn hoá của các địa phương vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng
bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang
còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta.
Điện năng còn có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ
cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm
việc truyền động cho máy phát điện.
Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có các loại hệ
thống bộ thu chủ yếu sau đây:
Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống
môi chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 400
o
C.
Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có định vị
theo phương mặt trời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao, nhiệt
độ có thể đạt tới trên 1500
o
C.
Hình 2.8. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời
*Tháp năng lượng mặt trời:
Hình 2.9. Tháp năng lượng Mặt trời
Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời
để tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thể
đạt trên 1500
o

C.
Hiện nay người ta còn dùng năng lượng mặt trời để phát điện theo kiểu “
tháp năng lượng mặt trời - Solar power tower “. Australia đang tiến hành dự án
xây dựng một tháp năng lượng mặt trời cao 1km với 32 tuốc bin khí có tổng
công suất 200 MW. Dự tính rằng đến năm 2006 tháp năng lượng mặt trời này sẽ
cung cấp điện mỗi năm 650GWh cho 200.000 hộ gia đình ở miền tây nam New
South Wales - Australia, và sẽ giảm được 700.000 tấn khí gây hiệu ứng nhà kính
trong mỗi năm.
* Thiết bị sấy NLMT:
Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời:
Hình 2.10. Sấy ca cao
Hiện nay NLMT được ứng dụng khá phổ biến trong lĩnh nông nghiệp để
sấy các sản phẩm như ngũ cốc, thực phẩm nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng
chất lượng sản phẩm. Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn được
dùng để sấy các loại vật liệu như gỗ.
* Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời:
Bếp năng lượng mặt trời được ứng dụng rất rộng rãi ở các nước nhiều NLMT
như các nước ở Châu Phi.
Hình 2.11. Triển khai bếp nấu cơm bằng NLMT.
Ở Việt Nam việc bếp năng lượng mặt trời cũng đã được sử dụng nhưng
chưa phổ biến. Năm 2000, Trung tâm Nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lượng
mới - Đại học Đà Nẵng đã phối hợp với các tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai
dự án (30.000 USD) đưa bếp năng lượng mặt trời - bếp tiện lợi (BTL) vào sử
dụng ở các vùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi, dự án đã phát
triển rất tốt và ngày càng đựơc đông đảo nhân dân ủng hộ. Trong năm 2002,
Trung tâm dự kiến sẽ đưa 750 BTL vào sử dụng ở các xã huyện Núi Thành và
triển khai ứng dụng ở các khu ngư dân ven biển để họ có thể nấu nước, cơm và
thức ăn khi ra khơi bằng NLMT .
*Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT:
Hình 2.12. Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

Thiết bị chưng cất nước thường có 2 loại: loại nắp kính phẳng có chi phí
cao (khoảng 23 USD/m2), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại nắp plastic có chi phí
rẻ hơn nhưng hiệu quả chưng cất kém hơn.
Ở Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chưng cất
nước NLMT dùng để chưng cất nước ngọt từ nước biển và cung cấp nước sạch
dùng cho sinh hoạt ở những vùng có nguồn nước ô nhiễm với thiết bị chưng cất
nước NLMT có gương phản xạ đạt được hiệu suất cao tại khoa Công nghệ Nhiệt
Điện lạnh-Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng.
*Động cơ Stirling chạy bằng NLMT:
Hình 2.13. Động cơ Stirling dùng NLMT
Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt - động cơ Stirling ngày càng
được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nước sinh hoạt hay tưới cây
ở các nông trại. Ở Việt Nam động cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng đã được
nghiên cứu chế tạo để triển khai ứng dụng vào thực tế. Như động cơ Stirling,
*Bơm nước dùng năng lượng mặt trời.
Hình 2.14. Bơm nước chạy bằng NLMT
* Bếp NLMT: Bếp NLMT là một thiết bị giữ các tia nắng và dùng năng
lượng này để đun nấu các loại thực phẩm hoặc đun sôi nước (xem trang 7).
* Thiết bị sấy NLMT: Thiết bị này có thể sấy lúa, ngô, đậu, cafe Thiết bị
có hai bộ phận chính là phần thu nhiệt và buồng trao đổi nhiệt.
Hình 2.15. Hầm sấy kiểu nhà kính dùng để sấy nông sản.
2.4.2. Tình hình sử dụng NLMT tại địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế
Hiện nay, có hai thiết bị chưng cất nước ngọt dùng năng lượng mặt trời vừa
được Viện Hóa học (Viện Khoa học công nghệ VN) lắp đặt thử nghiệm tại nhà mẫu
giáo và một trang trại tư nhân trên vùng cát tại huyện Quảng Điền, Thừa Thiên
Huế. Thiết bị này cho phép chưng cất nước ngọt từ nước phèn, nước mặn, nước bị ô
nhiễm chất hữu cơ Hệ thống hoạt động nhờ các tấm pin NLMT.
2.5. Các nguyên lý sấy sử dụng NLMT
2.5.1. Nguyên lý sấy đang sử dụng ở Việt Nam
* Nguyên lý sấy tĩnh: Là phương pháp sấy bằng dòng khí đối lưu, không khí

nóng được thổi đến tiếp xúc với hạt và mang ẩm đi. Máy sấy tĩnh vĩ ngang, máy
sấy tĩnh vĩ nghiêng, và máy sấy nhiệt độ thấp
* Nguyên lý sấy động: Tức là vật liệu sấy chuyển động trong thiết bị sấy. Máy
sấy băng tải, máy sấy tầng sôi, máy sấy tháp, máy sấy thùng quay
• Máy sấy tầng sôi:
Đặc điểm chung
o Các bộ phận tiếp xúc với liệu được làm bằng thép không rỉ (inox 304 hoặc
316-tùy chọn).
o Vật liệu sấy khô đều và không biến đổi đặc tính.
o Hệ thống lọc gió vào đạt 99,99%DAP
o Áp suất khí nén cần dùng 4-6 Kg/cm
2
o Hệ thống lọc khí thải.
o Thiết bị điều khiển tự động/bán tự động.
o Máy đạt tiêu chuẩn GMP (GMP là một phần của hệ thống quản lý chất
lượng nhằm đảm bảo kiểm soát các điều kiện về nhà xưởng (cơ sở hạ tầng), điều
kiện con người và kiểm soát các quá trình sản xuất để đạt những tiêu chuẩn về an
toàn vệ sinh cung cấp cho người tiêu dùng loại bỏ những nguy cơ nhiễm chéo và
lẫn lộn).
Hình 2.16. Máy sấy tầng sôi
• Máy sấy tháp:
Máy sấy này có 4 buồng độc lập hoạt động đồng thời. Hai quạt hướng
trục cung cấp gió cho cả hệ thống. Trấu được cung cấp qua máng cấp liệu để đốt
nóng tất cả các buồng. Trấu được lấy từ nhà máy xát kế bên thông qua băng tải
chuyền vào máng cấp trấu, từ đó gàu tải đổ trấu vào buồng đốt. Hạt được đưa
vào 4 gàu tải khác nhau, nhân công vẫn còn phải bốc dỡ hạt từ xe tải vào gàu tải.
Lúc khô sau đó đến bộ phận làm sạch sơ bộ và băng chuyền đưa hạt đến gàu tải
đổ vào buồng bảo quản (hình trên). Bảng điện điều khiển cho tất cả hệ thống
giúp hoạt động của máy dễ dàng hơn.
Hình 2.17. Máy sấy tháp tại Long An

1: Máng cấp liệu 2: Làm sạch 3: Gàu tải 4: Gàu tải
5: Gàu tải 6: Tải thoát liệu 7: Quạt 8: Buồng đốt trấu
9: Gàu tải trấu 10: Máng cấp trấu 11: Buồng khí 12: Tháp sấy
• Máy sấy thùng quay:
Hình 2.18. Máy sấy thùng quay
Sau khi nguyên liệu ẩm được đưa vào trong máy từ phía đầu thùng quay,
máy bắt đầu quay tròn và các cánh bên trong làm mhiệm vụ đảo dều nguyên liệu.
nguyên liệu được đảo đều như vậy sẽ tiếp xúc với khí nóng đầy đủ và được tách hơi
ẩm bay ra. Trong suốt quá trình đảo và sấy như vậy, nguyên liệu được dich chuyển
từ phái đầu thùng quay tới phía cuối thùng và đạt độ khô cần thiết. và cuối cùng
nguyên liệu dược thoát ra ngoài qua bộ van cánh sao. Thông số kỹ thuật Tên máy
(m) Năng suất (t/h) Tốc độ vòng quay (r/min) Công suất động cơ (kW) Góc
nghiêng lắp đặt.
2.5.2. Phương pháp làm khô tự nhiên (phơi nắng)
Nguyên lý của phương pháp phơi nắng là nông sản hấp thụ năng lượng bức
xạ của các tia mặt trời làm tăng nhiệt độ và áp suất hơi trên bề mặt, do đó xảy ra quá
trình bốc hơi nước từ hạt vào không khí làm hạt khô dần. Phương pháp này có ưu
điểm là đơn giản, rẻ tiền nhưng lại có nhược điểm là phụ thuộc vào thời tiết, nông
sản khô không đều, tốn nhiều công sức và không cơ khí hoá được. Tuy nhiên, nó
vẫn được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước. Ở Việt Nam, phần lớn nông sản vẫn được
làm khô theo cách này.

Hình 2.19. Phơi thóc
2.5.3. Phương pháp làm khô nông sản bằng các thiết bị sấy dùng NLMT
Thiết bị sấy bằng NLMT được thực hiện theo 2 nguyên tắc: sấy trực tiếp và
sấy gián tiếp.
+ Thiết bị sấy trực tiếp có tuần hoàn khí tự nhiên (gồm thiết bị thu năng
lượng kết hợp với buồng sấy hoặc bộ thu năng lượng riêng biệt).
+ Thiết bị sấy gián tiếp có dẫn nhiệt cưỡng bức (bộ thu năng lượng và
buồng sấy riêng biệt).

* Sấy trực tiếp: Sản phẩm nông nghiệp được trải thành một lớp mỏng trong
một phòng kín hấp thụ với phía trên được đậy phủ tấm trong suốt (bộ thu nhiệt).
Sản phẩm nông nghiệp được gia tăng nhiệt và nóng lên, ẩm được bốc hơi và thoát
ra ngoài.
* Sấy gián tiếp: Sản phẩm nông nghiệp đặt tại các sàng sấy, khí nóng được lấy
từ bộ thu nhiệt năng lượng mặt trời thổi xuyên qua các sàng sấy và sản phẩm sấy.
Loại sấy gián tiếp có thể điều khiển được nhiệt độ và tốc độ sấy, có thể sấy được
nhiều sản phẩm, hiệu suất hấp thụ của bộ thu cao hơn sấy trực tiếp.
Căn cứ vào hai nguyên tắc sấy trực tiếp và sấy gián tiếp, có các nguyên lý
sấy cụ thể sau:
- Nguyên lý sấy kiểu bẫy nhiệt đối lưu tự nhiên: Hệ thống lợi dụng sự
chuyển động lên phía trên một cách tự nhiên của không khí nóng nhờ sự chênh lệch
khối lượng riêng giữa không khí nóng và không khí lạnh.
a)

Sấy trực tiếp

b) Sấy gián tiếp
Hình 2.20. Sơ đồ hệ thống sấy NLMT đối lưu tự nhiên.
1. Tấm trong suốt, 2. Vật liệu sấy,
3. Sàng sấy;
- Nguyên lý sấy kiểu bẫy nhiệt đối lưu cưỡng bức: Ở thiết bị này, sự lưu
thông không khí nhờ có quạt cưỡng bức nên có thể rút ngắn thời gian sấy.
a) Bộ thu nhiệt gồm mái và tường b) Bộ thu nhiệt là mái nhà

Hình 2.21. Sơ đồ hệ thống sấy bằng NLMT dùng quạt cưỡng bức.
1. Vật liệu sấy, 2. Tấm trong suốt, 3. Tường vách, 4. Quạt, 5. Không khí nóng
2.6. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài
2.6.1. Tính cấp thiết của đề tài:
Sấy nông sản là một nhu cầu cấp thiết từ thực tiễn sản xuất trong nông

nghiệp - nông thôn. Vấn đề sử dụng NLMT thay thế các nguồn năng lượng
truyền thống đã và đang trở thành yêu cầu của cuộc sống và sản xuất.
2.6.2. Mục tiêu của đề tài:
Thiết kế được mẫu thiết bị sấy hạt sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ năng lượng
mặt trời cho các nông hộ ở khu vực Miền Trung.
2.6.3. Các nhiệm vụ chính của đề tài:
- Xác định tình hình sử dụng NLMT nói chung và sấy nông sản nói riêng
trên thế giới, trong nước và tại địa bàn Thừa Thiên Huế.
- Nghiên cứu quá trình truyền và hấp thụ NLMT.
- Nghiên cứu các nguyên lý nhằm nâng cao hiệu suất thu nhiệt từ mặt trời.
- Nghiên cứu lựa chọn kết cấu thiết bị sấy hạt nông sản sử dụng hiệu ứng
quang nhiệt từ NLMT phù hợp nông hộ.
- Tính toán, thiết kế thiết bị sấy hạt phù hợp quy mô nông hộ; Xác định
các thông số về cấu tạo và chế độ sấy.
- Phân tích ưu, nhược điểm của mô hình thiết kế thiết bị so với phơi tự nhiên.
Phần 3. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
3.1. Đối tượng nghiên cứu
- Quá trình bức xạ và hấp thụ năng lượng mặt trời
- Các nguyên lý và mẩu thiết bị sấy hạt nông sản sử dụng hiệu ứng quang
nhiệt từ NLMT
- Một số tính chất cơ lý của một số hạt nông sản
- Một số tính chất cơ lý của vật liệu sử dụng trong chế tạo thiết bị sấy
năng lượng mặt trời
3.2. Phạm vi nghiên cứu
- Địa bàn nghiên cứu: tỉnh Thừa Thiên Huế,
- Thời gian nghiên cứu: 04 tháng (từ tháng 1/2010 đến tháng 4/2010)
3.3. Phương pháp nghiên cứu
3.3.1. Phương pháp điều tra thu thập và xử lý số liệu
- Phương pháp điều tra trực tiếp: tại mô hình sấy nông sản
- Phương pháp điều tra gián tiếp: thông qua các tư liệu, sách, mạng Internet

- Phương pháp phỏng vấn chuyên gia
3.3.2. Phương pháp thiết kế và phân tích kết cấu:
- Trình bày mẫu thiết kế thiết bị.
- Phân tích các phần của thiết bị.
- Xác định các nguyên liệu để chế tạo.
3.3.3. Phương pháp xây dựng mô hình tính toán giải tích
Áp dụng các công thức, lý thuyết về sấy hạt. Biểu diễn quá trình trao đổi
nhiệt ẩm của khối hạt trong thiết bị dưới dạng mô hình toán học. Xác định kích
thước cụ thể của mô hình thiết bị sấy.
3.3.4. Phương pháp thiết kế kết cấu và cấu tạo của nhà sấy
Lựa chọn kết cấu.
3.3.5. Phương pháp phân tích đồ thị, biểu đồ:
- Vẽ đồ thị.
- Lựa chọn biểu đồ thích hợp.
Phần 4. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA QUÁ TRÌNH SẤY HẠT NÔNG
SẢN SỬ DỤNG NLMT
4.1. Một số khái niệm cơ bản
* Vật liệu ẩm: Trong vật liệu ẩm (vật liệu sấy) gồm vật rắn, chất lỏng và
khí vì khối lượng chất khí rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Do đó vật ẩm có thể xem
như gồm 2 thành phần chất rắn và chất lỏng thấm ướt (gọi là ẩm), chất rắn xem
như chất khô tuyệt đối.
* Không khí ẩm: là một hỗn hợp của không khí khô ( chủ yếu chứa
oxygen và nitrogen) và hơi nước trong không khí sấy tuy không nhiều những ảnh
hưởng rất lớn đến quá trình sấy.
* Tốc độ sấy: Tốc độ sấy của hệ thống sấy phụ thuộc vào tốc độ giảm ẩm
của từng hạt riêng lẽ, còn gọi là tốc độ sấy lớp mỏng.
* Đặc tính cấu trúc của đối tượng sấy:
Phần lớn các vật liệu ẩm thường có cấu trúc xốp. Khoảng cách giữa các
phần tử cấu tạo nên khung vật chất khô lớn hơn kích thước của phân tử. Không
gian giữa các phần tử gọi là các mao dẫn hay các lỗ xốp. Đối với vật liệu ẩm thì

các mao dẫn hay lỗ xốp chứa đầy nước.
* Các dạng liên kết giữa nước và vật liếu sấy: Nước trong vật liệu ẩm có
thể chia ra làm 2 nhóm: nước tự do và nước liên kết.
• Nước tự do nằm ở bề mặt của vật sấy có áp suất riêng bằng áp suất
hơi nước bão hòa ứng với nhiệt độ hiện tại của vật ẩm.
• Nước liên kết tạo ra trên vật ẩm hơi nước có áp suất riêng nhỏ hơn
áp suất bão hòa ứng với nhiệt độ của vật.
4.2. Bản chất của quá trình sấy hạt
Bản chất của quá trình sấy là sự truyền nhiệt và ẩm, là quá trình dẫn ẩm từ
bên trong vật sấy ra ngoài bề mặt của vật sấy và vào môi trường sấy (tác nhân sấy)
hay đó là quá trình chuyển từ trạng thái lỏng (rắn) của vật sấy sang trạng thái hơi
do sự chênh lệch độ ẩm giữa vật sấy với môi trường sấy.
4.3. Các công nghệ sấy hạt hiện nay
•

Sấy 1 giai đoạn



:

Nhiệt độ (T
o
) tăng dần
•

Sấy 1 giai đoạn có ủ

:

Nhiệt độ sấy tăng dần, nếu sấy đến độ ẩm (W)
cao hơn yêu cầu 1 ÷ 2% thì dừng lại và ử ít nhất 24 giờ.
•

Sấy 2 giai đoạn có ủ trung gian



:

Sấy đến 17 ÷ 18% (15% với hạt có
dầu), sau đó ủ (ít nhất 4 giờ), sấy tiếp ở nhiệt độ thấp hơn gần nhiệt độ môi
trường.
Sấy hai giai đoạn có công nghệ không phức tạp lắm, đã được các nhà
nghiên cứu thực hiện thành công và đã ứng dụng tốt với lúa, ngô, lạc và đỗ
tương thương phẩm. Giai đoạn đầu, hạt được sấy tới độ ẩm 18%(đối với lúa
và ngô), vì lượng ẩm của giai đoạn này tập trung ở gần bề mặt hạt nên dễ
tách. Sau đó hạt được chuyển sang giai đoạn ủ để việc chuyển ẩm từ tâm hạt
ra được từ từ, làm cân bằng ứng suất (nhiệt và ẩm) trong hạt tránh được nứt
do ứng suất và tạo cho quá trình thoát ẩm ở giai đoạn sấy sau được dễ dàng.
Tiếp đó, hạt được sấy tiếp đến W yêu cầu, giai đoạn này ẩm không hcir được
tách từ phần ngoài mà còn từ tâm hạt ra nhờ quá trình khuêch tán ẩm. Sấy hai
giai đoạn sẽ có lợi là giảm năng suất lượng yêu cầu, tăng khả năng sấy và cải
thiện chất lượng hạt do giảm tỉ lệ nứt vở.
•

Sấy nhiều giai đoạn

:

Nhiệt độ sấy cao, sấy ngắt quãng xen kẻ ủ liên tục
đến độ ẩm bảo quản.
Tuy nhiên, sấy nhiều giai đoạn có công nghệ phức tạp, đòi hỏi điều
khiển tự động cả thời gian và nhiệt độ.
4.4. Cở sở lý thuyết quá trình sấy
4.4.1. Các dạng liên kết trong vật liệu ẩm
Các liên kết giữa ẩm với vật khô có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sấy.
Nó sẽ chi phối diễn biến của quá trình sấy. Vật ẩm thường là tập hợp của ba pha:
rắn, lỏng và khí (hơi). Các vật rắn đem đi sấy thường là các vật xốp mao dẫn
hoặc keo xốp mao dẫn.
Trong các mao dẫn có chứa ẩm lỏng cũng với hỗn hợp hơi khí có thể tích
rất lớn (thể tích xốp) nhưng tỷ lệ khối lượng của nó so với phần rắn và phần ẩm
lỏng có thể bỏ qua. Do vậy trong kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần
rắn khô và chất lỏng. Có nhiều cách phân loại các dạng liên kết ẩm. Trong đó
phổ biến nhất là cách phân loại theo bản chất hình thành liên kết của P.H.
Robinde. Theo cách này, tất cả các dạng lên kết ẩm được chia thành ba nhóm
chính: liên kết hoá học, liên kết hoá lý và liên kết cơ lý.
* Liên kết hoá học :
Liên kết hoá học giữa ẩm và vật khô rất bền vững trong đó, các phân tử
nước đã trở thành một bộ phận trong thành phần hoá học của phân tử vật ẩm.
Loại ẩm này chỉ có thể tách ra khi có phản ứng hoá học và thường phải nung
nóng đến nhiệt độ cao. Sau khi tách ẩm tính chất hoá lý của vật thay đổi. Ẩm này
có thể tồn tại ở dạng liên kết phân tử như trong muối hydrat MgCl
2
.6H
2

O hoặc ở
dạng liên kết ion như Ca(OH)
2
.
Trong quá trình sấy không đặt vấn đề tách ẩm ở dạng liên kết hoá học.
*Liên kết hoá lý :
Liên kết hoá lý không đòi hỏi nghiêm ngặt về tỷ lệ thành phần liên kết. Có
hai loại: liên kết hấp phụ (hấp thụ) và liên kết thẩm thấu.
Liên kết hấp phụ của nước có gắn liền với các hiện tượng xảy ra trên bề
mặt giới hạn của các pha (rắn hoặc lỏng). Các vật ẩm thường là những vật keo,
có cất tạo hạt. Bán kính tương đương của hạt từ 10
-9
– 10
-7
m. Do cấu tạo hạt nên
vật keo có bề mặt bên trong rất lớn. Vì vậy nó có năng lượng bề mặt tự do đáng
kể. Khi tiếp xúc với không khí ẩm hay trực tiếp với ẩm, ẩm sẽ xâm nhập vào các
bề mặt tự do này tạo thành liên kết hấp phụ giữa ẩm và bề mặt.
Liên kết thẩm thấu là sự liên kết hoá lý giữa nước và vật rắn khi có sự
chênh lệch nồng độ các chất hoà tan ở trong và ngoài tế bào. Khi nước ở bề mặt
vật thể bay hơi thì nồng độ của dung dịch ở đó tăng lên và nước ở sâu bên trong
sẽ thấm ra ngoài. Ngược lại, khi ta đặt vật thể vào trong nước thì nước sẽ thấm
vào trong.
* Liên kết cơ lý :
Đây là dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu được tạo thành do sức căng bề
mặt của ẩm trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật. Liên kết cơ học
bao gồm liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính ướt.
- Liên kết cấu trúc: là liên kết giữa ẩm và vật liệu hình thành trong quá
trình hình thành vật. Ví dụ: nước ở trong các tế bào động vật, do vật đông đặc
khi nó có chứa sẵn nước. Để tách ẩm trong trường hợp liên kết cấu trúc ta có

thể làm cho ẩm bay hơi, nén ép vật hoặc phá vỡ cấu trúc vật Sau khi tách
ẩm, vật bị biến dạng nhiều, có thể thay đổi tính chất và thậm chí thay đổi cả
trạng thái pha.
- Liên kết mao dẫn: nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản. Trong các vật thể
này có vô số các mao quản. Các vật thể này khi để trong nước, nước sẽ theo các
mao quản xâm nhập vào vật thể. Khi vật thể này để trong môi trường không khí
ẩm thì hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao quản và theo các mao quản xâm
nhập vào trong vật thể.
- Liên kết dính ướt: là liên kết do nước bám dính vào bề mặt vật. Ẩm liên
kết dính ướt dễ tách khỏi vật bằng phương pháp bay hơi đồng thời có thể tách ra
bằng các phương pháp cơ học như: lau, thấm, thổi, vắt ly tâm
4.4.2. Quá trình hấp thụ của hạt và khối hạt
- Sự khuếch tán bên ngoài: sự xâm nhập của không khí, hơi nước vào
những khoảng không giữa các hạt.
- Sự xâm nhập của không khí hơi nước từ các khoảng không vào trong
hạt người ta gọi là khuếch tán bên trong.
- Sự ngưng tụ hơi nước trong mao quản.
- Sự xâm nhập của nước ngưng tụ vào bên trong hạt.
- Sự xâm nhập của hơi từ khoảng không giữa các hạt vào hạt riêng lẽ
- Sự vận chuyển ẩm qua thành tế bào vào bên trong và tạo liên kết với
chất keo trong hạt (protein, tinh bột )
- Vận tốc khuyếch tán bên ngoài phụ thuộc vào nhiệt độ của hơi, áp suất
hơi và tốc độ của hơi xung quanh hạt.
- Vận tốc khuyếch tán bên trong phụ thuộc vào nhiệt độ của hơi, áp suất
hơi, thành phần hoá học và cấu trúc của hạt.
4.4.3. Độ ẩm trong hạt
- Ẩm được chia ra làm hai loại: ẩm có thể tách được và ẩm không thể
tách được.Giá trị độ ẩm của hạt phụ thuộc vào tính chất của hạt và dạng liên kết
ẩm. Độ ẩm tới hạn khác nhau đối với những loại hạt khác nhau: ví dụ ở nhiệt độ
25

o
C: lúa mạch là 36,5 %; lúa mì: 22,5 % và thóc là 38 %.
- Hạt được sấy khô chỉ đến độ ẩm cân bằng hoặc độ ẩm cuối tương ứng
với độ ẩm tương đối và nhiệt độ của tác nhân sấy.
- Ẩm trương nở.
- Độ ẩm của hạt có thể vượt quá độ ẩm tới hạn chỉ trong trường hợp nếu
hạt được thu hoạch hoặc vận chuyển khi trời mưa.
4.4.4. Quan hệ giữa vật liệu ẩm và không khí :
* Độ ẩm cân bằng :
Nếu ta có một vật ẩm đặt trong môi trường không khí ẩm sẽ xảy ra sự
trao đổi nhiệt, ẩm giữa vật ẩm và môi trường không khí. Quá trình trao đổi nhiệt
phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và vật, còn quá trình trình
trao đổi ẩm phụ thuộc vào chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trên bề
mặt vật và của hơi nước trong không khí ẩm. Nếu áp suất riêng phần trên bề mặt
vật ẩm lớn hơn áp suất riêng phần trong không khí sẽ xảy ra quá trình bay hơi từ
vật ẩm, độ ẩm của vật giảm đi (vật liệu khô hơn).
Nếu ngược lại, áp suất riêng phần trên bề mặt vật ẩm nhỏ hơn ấp suất
riêng phần trong không khí thì vật liệu ẩm sẽ hấp thụ ẩm, độ ẩm tăng lên.Trong
cả hai trường hợp áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật ẩm sẽ tiến dần
tới trị số áp của riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm. Khi hai trị số áp
suất riêng phần này bằng nhau thì vật và môi trường ở trạng thái cân bằng ẩm.
Lúc này vật không hút ẩm cũng không thải ẩm. Độ ẩm của vật lúc này gọi là độ
ẩm cân bằng Wcb. Độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi
nước trong không khí, tức là phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của không khí ϕ.
Quan hệ hàm số: Wcb=f(ϕ) có thể được xác định bằng thực nghiệm và được gọi
là đường đẳng nhiệt. Đối với quá trình hút ẩm từ môi trường, đường cong
Wcb=f(ϕ) gọi là đường hấp thụ đẳng nhiệt. Đối với quá trình bay hơi ẩm từ vật,
đường cong xây dựng được là đường thải ẩm đẳng nhiệt (hình vẽ 1.1).
Độ ẩm cân bằng có ý nghĩa lớn trong việc chọn chế độ sấy thích hợp cho
từng loạisản phẩm thực phẩm. Người ta thường chọn độ ẩm cuối cùng của sản

phẩm sấy bằng độ ẩm cân bằng của sản phẩm đó đối với giá trị trung bình cuả độ
ẩm tương đối không khí trong bảo quản.
* Độ ẩm tới hạn Wth :
Độ ẩm cân bằng của vật ẩm trong môi trường không khí có độ ẩm tương
đối ϕ = 100% gọi là độ ẩm tới hạn Wth. Độ ẩm này là giới hạn của quá trình
hấp thụ ẩm của vật hay là giới hạn của độ ẩm liên kết. Sau đó muốn tăng độ ẩm
của vật phải nhúng vật vào trong nước hoặc có nước ngưng tụ trên bề mặt vật.
Ẩm thâm nhập vào vật sau này gọi là ẩm tự do (hình vẽ 4.2.). Trên đường cong