Thiết kế hệ thống sấy Mít nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt

Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

MỤC LỤC

Trang

LỜI CẢM ƠN ……………………………………………………………………...4
PHẦN MỞ ĐẦU .......................................................................................................5
CHƯƠNG 1: LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SẤY ...............................................7
1.1. Vật liệu ẩm ......................................................................................................7
1.1.1. Độ ẩm của vật liệu …………………….................................................7
1.1.2. Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu .......................................................9
1.2. Quá trình đốt nóng và làm lạnh .................................................................... .11
1.2.1 Quá trình đốt nóng và đôt nóng tăng ẩm ............................................ 11
1.2.2 Quá trình làm lạnh và làm lạnh khử ẩm ..............................................11
1.3. Các phương pháp sấy .....................................................................................12
1.3.1. Phương pháp sấy nóng .........................................................................12
1.3.2. Phương pháp sấy lạnh ..........................................................................14
1.3.3. Sơ đồ thiết bị và trạng thái tác nhân sấy của hệ thống sấy lạnh …….. 16
1.4. Phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt ……………………………………. 17
1.4.1. Thế sấy ………………………………………………………………. 17
1.4.2. So sánh hai phương pháp sấy lạnh ………………………………….. 18
1.4.3. Đặc tính của quá trình sấy lạnh ……………………………………... 20
CHƯƠNG 2 : LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT ……………………………… 22
2.1. Khái quát về bơm nhiệt ………………………………………………….... 22
2.2. Nguyên lý hoạt động …………………........................................................ 23
2.3. Hệ số nhiệt của bơm nhiệt ............................................................................ 24
2.4. So sánh các phương án cấp nhiệt ……......................................................... 25
2.5. Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt ......................................................... 27

2.6. Ứng dụng của bơm nhiệt trong nền kinh tế quốc dân …….………………. 29
CHƯƠNG 3 : CÔNG NGHỆ SẤY RAU QUẢ …………………………………34
3.1. Sơ lược về các sản phẩm rau quả................................................................. 34
3.2. Công nghệ sấy rau quả ………..................................................................... 34
3.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy ....................................................... 36

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 1


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

3.4. Sơ lược về quả Mít ………………………………………………...………. 37
CHƯƠNG 4 : LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN VÀ TÍNH TOÁN NHIỆT QUÁ
TRÌNH SẤY ……………………........................................................................

39

4.1. Lựa chọn phương án sấy ………………………………………………... 39
4.2. Chọn loại thiết bị sấy ................................................................................... 39
4.3. Các thông số tính toán ………………………………………….……….... 40
4.3.1 Vật liệu sấy ……………………………………….………….……….. 40
4.3.2. Tác nhân sấy …………………………………….………….………... 40
4.4. Tính toán kích thước buồng sấy …………………………………….......... 41
4.5. Xây dựng quá trình sấy lý thuyết trên đồ thị I-d .......................................... 42
4.5.1 Đồ thị I-d …………………………………...………………………… 42
4.5.2 Tính toán quá trình sấy ………………………………………………...43

4.6. Xây dựng quá trình sấy thực tế trên đồ thị I-d ……………………….…… 46
4.6.1 Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy thực tế ………………………………46
4.6.2 Đồ thị I-d ……………………………………………………………… 51
4.6.3 Tính toán quá trình sấy thực tế …………………………………...…… 52
CHƯƠNG 5 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM NHIỆT ……………………… 55
5.1 Chọn môi chất nạp và các thông số của môi chất …………………………. 55
5.1.1 Chọn môi chất nạp ………………………………………………..…... 55
5.1.2 Nhiệt độ ngưng tụ ………………………………………………..…… 55
5.1.3 Nhiệt độ bay hơi ………………………………………..……………... 55
5.1.4 Nhiệt độ hơi hút ……………………………………………….……… 55
5.1.5 Nhiệt độ quá lạnh ………………………………………….………….. 56
5.2 Chọn và tính toán chu trình bơm nhiệt máy lạnh ………………………...... 56
5.2.1 Chọn chu trình …………………………...…………………………...56
5.2.2 Sơ đồ, nguyên lý làm việc ……………………………………...…….56
5.2.3 Xây dựng đồ thị và lập bảng xác định các giá trị tại các điểm nút ..... 57
5.2.4 Tính toán chu trình …………………………………...………………58
5.3 Tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt của bơm nhiệt ……………………...… 59
5.3.1 Dàn ngưng (Thiết bị gia nhiệt không khí) …………………..…..…… 59
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 2


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

1. Chọn loại dàn ngưng ……………………………………...…………... 60
2. Các thông số cho trước ………………………………………………... 60
3. Tính diện tích trao đổi nhiệt ……………………………………...…… 61

4. Tính các thông số cụ thể của dàn ngưng ………………………..….…. 65
5.3.2 Dàn bay hơi (Thiết bị làm lạnh không khí) ………..………..…...…… 65
1. Chọn loại dàn bay hơi ……………………………………………..…... 66
2. Các thông số cho trước ………………………………………..…..…... 66
3. Tính diện tích trao đổi nhiệt ……………………………….……..…… 67
4. Tính các thông số cụ thể của dàn bay hơi …………………….…..…... 70
5.3.3 Thiết bị hồi nhiệt …………………………………………...….…….... 71
1. Tính chọn đường kính ống ……………………………………………..72
2. Tính toán diện tích trao đổi nhiệt ………………………………………73
5.4 Tính chọn máy nén ……………………………………………..……...…... 76
5.4.1. Tính toán chu trình ở chế độ yêu cầu …………………….…….…...... 77
5.4.2. Tính toán năng suất lạnh tiêu chuẩn ……………………………….….77
5.4.3. Chọn máy nén ………………………………………….…………….. 78
5.4.4. Tổn thất năng lượng và công suất động cơ ……………………….….. 79
5.5 Chọn Đường ống dẫn môi chất ……………………………..………...…….79
5.5.1 Đường ống đẩy ……………….……………………………………….. 79
5.5.2 Đường ống hút ……………………………………….…...…………....80
CHƯƠNG 6 : TÍNH TOÁN TRỞ LỰC VÀ CHỌN QUẠT ……………….. …81
6.1 Tính toán đường ống dẫn tác nhân sấy …………………………………….. 81
6.2 Tính toán trở lực của hệ thống ……………………………………………..82
6.2.1. Tổn thất áp suất trên đường ống gió ………………………………… 82
6.2.2. Tổn thất qua các thiết bị của hệ thống ………………………………. 83
6.3 Chọn quạt ………………………………………………………………….. 84
CHƯƠNG 7 : TÍNH TOÁN THỜI GIAN HOÀN VỐN ……………………….85
KẾT LUẬN ……………………………………………………………………… 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ………………………………………………………. 89

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 3

Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Lêi C¶m ¬n
Trong suốt gần năm năm học tại trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng, Em đã
được sự dạy dỗ ân cần và giúp đỡ tận tình của các thầy cô giáo trong trường, đặc
biệt là các thầy cô giáo trong khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh. Em xin chân
thành cảm ơn:
 Toàn thể giáo viên trong trường Đại học Bách Khoa đã dạy dỗ, giúp đỡ em
trong suốt quá trình học tập.
 Toàn thể thầy giáo, cô giáo trong khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh đã
cung cấp cho em những kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập.
 Gia đình và bạn bè đã cổ vũ, động viên, khích lệ em trong suốt thời gian ngồi
trên giảng đường đại học.
 Đặc biệt, em xin gửi những lời cảm ơn chân thành nhất tới thầy giáo:
PGS.TS. Hoàng Ngọc Đồng. Thầy đã tận tình chỉ bảo, hướng dẫn và giúp
đỡ em trong thời gian qua để em có thể hoàn thành tốt đồ án tố nghiệp của
mình.
Trong quá trình tính toán, thiết kế đồ án chắc chắn không tránh khỏi những thiếu
sót. Em rất mong được sự chỉ bảo tận tình của các thầy, các cô để em có thêm những
kiến thức bổ ích làm hành trang bước vào đời.
Đà Nẵng , Tháng 05/2007
Sinh viên thực hiện
Cao Văn Sơn

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 4


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

PHẦN MỞ ĐẦU
Lý do chọn đề tài
Việt Nam nằm trong vùng khí hậu nhiệt đới gió mùa nóng ẩm, có bờ biển dài
hơn 3000 Km, độ ẩm không khí thường trên 70%, nhiệt độ cao nhất có thể lên tới
38 oC. Khí hậu nóng ẩm là điều kiện thuận lợi để nấm mốc và các loại vi sinh vật có
hại phát triển làm hư hại các loại lương thực, thực phẩm, hoa quả, giống cây trồng,
thuốc chữa bệnh…. Bên cạnh đó, nước ta lại là một nước nông nghiệp, trình độ
khoa học kỹ thuật còn lạc hậu. Có nhiều địa phương do không có trang bị kỹ thuật
bảo quản hoa quả, nông sản sau thu hoạch nên thường bán thốc bán tháo với giá rẻ
khi mùa thu hoạch đến. Có khi giá trị đạt được chỉ khoảng 20% so với giá trị thực
của nó. Để tránh được tình trạng đó và để đa dạng hoá các loại sản phẩm nông
nghiệp, nâng cao giá trị sử dụng của sản phẩm, nâng cao thu nhập cho người nông
dân, việc nghiên cứu nâng cao chất lượng sản phẩm sau thu hoạch là một yêu cầu
cần thiết trong thời gian hiện nay.
Ngày nay, nhu cầu về chất lượng của sản phẩm ngày càng đòi hỏi khắt khe, đặc
biệt là các loại sản phẩm cần giữ màu sắc và mùi vị như kẹo, hoa quả, thuốc chữa
bệnh…. Hơn nữa, trong những năm gần đây, Việt Nam đã có nhiều bước tăng
trưởng mạnh về nông - lâm - ngư nghiệp. Để có thể cạnh tranh được trong thời kỳ
hội nhập WTO thì bắt buộc các sản phẩm sấy của chúng ta phải đảm bảo chất lượng
và uy tín cao.
Với các loại rau, củ, quả, dược liệu… khi sấy ở nhiệt độ cao có thể phá huỷ các
chất hoạt tính sinh học như hóc môn, màu, mùi vị, men, vitamin, protêin… và làm
thay đổi chất lượng sản phẩm. Vì thế, sấy lạnh bằng nguyên lý bơm nhiệt là một

phương pháp bảo quản sau thu hoạch đáp ứng được những yêu cầu khắt khe về chất
lượng sau khi sấy. Bởi vì tác nhân sấy có độ ẩm thấp, nhiệt độ sấy thấp nên quá
trình sấy xẩy ra tại nhiệt độ thấp hơn so với các phương pháp sấy thông thường do
đó hạn chế được sự thay đổi không có lợi về màu sắc và mùi vị tự nhiên của sản
phẩm.
Như vậy, việc tìm tòi và phát triển rộng rải các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh thực
phẩm, nông sản sau thu hoạch, lâm sản, dược liệu là một yêu cầu cấp bách khuyến
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 5


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

khích phát triển nông nghiệp, chuyển đổi cơ cấu cây trồng, sản xuất các mặt hàng
thay thế nhập khẩu và xuất khẩu ra thị trường thế giới, tiết kiệm năng lượng, giảm
vốn đầu tư và giá thành sản phẩm.
Bơm nhiệt là thiết bị nhiệt-lạnh được xem là có khả năng tiết kiệm năng lượng
nhất hiện nay [10]. Qua nhiều năm nghiên cứu và triển khai ứng dụng để hút ẩm và
sấy lạnh thấy rằng bơm nhiệt có rất nhiều ưu điểm và rất có khả năng ứng dụng
rộng rải trong điều kiện khí hậu nóng ẩm, phù hợp với thực tế Việt Nam, mang lại
hiệu quả kinh tế - kỹ thuật đáng kể. Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những
sản phẩm cần giữ trạng thái, màu mùi, chất dinh dưỡng và không cho phép sấy ở
nhiệt độ cao, tốc độ gió lớn [11].
Hiện nay đã có nhiều công trình nghiên cứu và ứng dụng sấy lạnh dùng bơm
nhiệt và đã có hiệu quả thực tiễn cao. Tuy nhiên, chưa có tài liệu nào nói rõ việc
tính toán thiết kế một hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt cụ thể. Vì vậy, Em đã
mạnh dạn chọn đề tài: “Thiết kế hệ thống sấy Mít nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt”

để làm đề tài tốt nghiệp cho mình.
Nội dung nghiên cứu
-

Lý thuyết về kỹ thuật sấy.

-

Lý thuyết về bơm nhiệt.

-

Sơ lược về công nghệ sấy hoa quả.

-

Tính toán thiết kế hệ thống sấy Mít sử dụng bơm nhiệt.

-

Tính toán kinh tế của hệ thống.

-

Kết luận.

Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên lý thuyết trong các tài liệu, tiến hành tính toán thiết kế hệ thống sấy
lạnh dùng bơm nhiệt. Từ đó ta rút ra kết luận và ứng dụng của nó trong thực tiễn.
Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài có thể chỉ rõ được hiệu quả của việc sử dụng bơm nhiệt trong sấy ở nhiệt
độ thấp so với hệ thống sấy nóng. Trên cơ sở tính toán, ta có thể lựa chọn công suất
của bơm nhiệt sao cho phù hợp với hệ thống.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 6


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Chương 1
LÝ THUYẾT VỀ KỸ THUẬT SẤY
1.1 Vật liệu ẩm
Vật liệu ẩm trong kỹ thuật sấy là các vật có khả năng chứa nước hoặc hơi nước
trong quá trình hình thành hoặc gia công bản thân các vật liệu như các loại nông sản
(lúa, ngô, đậu,…), giấy, vải sợi, gỗ, các loại huyền phù hoặc các lớp sơn trên bề mặt
các chi tiết kim loại.v.v..[3]
1.1.1 Độ ẩm của vật liệu
Các vật đem sấy đều là những vật ẩm có chứa một khối lượng chất lỏng đáng kể.
Trong quá trình sấy, ẩm trong vật bay hơi, độ ẩm của nó giảm. Trạng thái của vật
liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó.
1. Độ ẩm tuyệt đối
Độ ẩm tuyệt đối là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật
khô tuyệt đối. Kí hiệu: w0. Ta có:
w0 =

Gn

100 [%].
Gk

(1.1)

Trong đó: + Gn - khối lượng ẩm chứa trong vật liệu [kg]
+ Gk - khối lượng vật khô tuyệt đối [kg]
2. Độ ẩm toàn phần.
Độ ẩm toàn phần là tỷ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng vật
ẩm. Ký hiệu: w. Ta có:
w=

Gn
100 [%].
G

(1.2)

Trong đó: G - khối lượng vật ẩm: G = Gn + Gk [kg]
Quan hệ giữa độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm toàn phần:
w0 =

w
100 [%].
100 − w

(1.3)

3. Độ chứa ẩm
Là tỷ số giữa lượng chứa ẩm trong vật với khối lượng vật khô tuyệt đối. Kí hiệu:

u, [kg ẩm/ kg vật khô]. Được tính theo công thức:
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 7


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh
u=

Gn
, [kg ẩm/kg vật khô]
Gk

(1-4).

Nếu độ chứa ẩm phân bố đều trong toàn bộ vật thể thì ta có quan hệ sau:
wo = 100.u [%]
Hay u =

wo
, [kg/kg]
100

(1-5).

4. Nồng độ ẩm
Kí hiệu: N, [kg/m3 ].
Là khối lượng ẩm chứa trong 1m3 vật thể. Ta có:

N=

Gn
, [kg/m3]
V

(1-6).

Trong đó: V- Thể tích vật, m3
Nếu gọi ρ k là khối lượng riêng của vật khô tuyệt đối thì từ (1-4) và (1-6) ta có:
N = u.ρ k

(1-7)

Nếu giả thiết thể tích của vật không thay đổi trong quá trình sấy, tức là V = V k.
Vk là thể tích của vật khô tuyệt đối, ta có:
N = u.ρ 0

Trong đó: ρ 0 =

(1-8)

Gk
là khối lượng của vật khô tuyệt đối.
V

5. Độ ẩm cân bằng
Là độ ẩm của vật khi ở trạng thái cân bằng với môi trường xung quanh vật đó.
Khi đó độ chứa ẩm trong vật là đồng đều và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật
ẩm bằng phân áp suất hơi nước có trong môi trường tác nhân sấy. Kí hiệu: Wcb, ucb...

Trong kỹ thuật sấy, độ ẩm cân bằng có ý nghĩa lớn, nó dùng để xác định giới hạn
quá trình sấy và độ ẩm cuối cùng trong quá trình sấy của mỗi loại vật liệu trong
những điều kiện môi trường khác nhau.
1.1.2. Các dạng liên kết ẩm trong vật liệu
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 8


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Khi nghiên cứu quá trình sấy cần phải xác định các dạng tồn tại và các hình thức
liên kết giữa ẩm với vật khô. Vật ẩm thường là tập hợp của 3 pha: rắn, lỏng và hơi.
Các vật rắn đem sấy thường là các vật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn. Trong
kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần rắn khô và ẩm lỏng.
Diễn biến quá trình sấy các vật ẩm sẽ bị chi phối bởi các dạng liên kết ẩm trong
vật. Có nhiều cách phân loại các dạng liên kết ẩm trong đó cách phân loại của P.H.
Rôbinde được sử dụng rộng rãi hơn vì nó nêu được bản chất hình thành các dạng
liên kết ẩm trong vật liệu. Theo cách này, tất cả các dạng liên kết ẩm được chia
thành 3 nhóm chính là: liên kết hoá học, liên kết hoá lý và liên kết cơ lý.
1. Liên kết hoá học
Thể hiện dưới dạng liên kết ion hay liên kết phân tử. Lượng ẩm trong liên kết hoá
học chiếm tỉ lệ nhất định. Liên kết ion được hình thành bởi những phản ứng hoá học
rất bền vững. Muốn phá vỡ các liên kết này phải dùng các phản ứng hoá học hoặc
nung đến nhiệt độ rất cao. Còn liên kết phân tử ta có thể quan sát qua quá trình kết
tủa của các dung dịch. Vật liệu khi bị tách ẩm liên kết hoá học thì tính chất của nó
thay đổi. Nói chung trong quá trình sấy (nhiệt độ từ 120÷150 oC) không tách được
ẩm liên kết hoá học, quá trình sấy yêu cầu giữ nguyên các tính chất hoá lý của vật.

2. Liên kết hoá lý
Thể hiện dưới dạng liên kết hấp thụ và liên kết thẩm thấu. Lượng ẩm trong liên
kết hoá lý không theo tỉ lệ nhất định nào.
+ Liên kết hấp thụ:
Trong các vật ẩm ta gặp những vật keo. Vật keo có cấu tạo dạng hạt. Bán kính
tương đương của hạt từ 0,001÷0,1µm. 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 nước, ẩm sẽ xâm nhập vào vật theo các bề mặt tự do này
tạo thành liên kết hấp thụ giữa nước và bề mặt.
+ Liên kết thẩm thấu:
Liên kết thẩm thấu là liên kết hoá lý giữa nước và vật rắn khi có sự chênh lệch
nồng độ các chất hòa tan ở trong và ngoài tế bào, tức là có sự chênh lệch áp suất hơi
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 9


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

nước. Quá trình thẩm thấu không kèm theo hiện tượng tỏa nhiệt và không làm cho
vật biến dạng. Về bản chất, ẩm thẩm thấu trong các tế bào không khác với bình
thường và không chứa các chất hòa tan vì các chất hoà tan sẽ không thể khuếch tán
vào trong tế bào cùng với nước.
3. Liên kết cơ lý
Đây là mối liên kết giữa vật và nước với tỉ lệ không hạn định, được hình thành do
sức căng bề mặt của nước trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật. Liên kết
cơ học được chia làm ba dạng: liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính
ướt.

+ Liên kết cấu trúc:
Được hình thành trong quá trình hình thành vật (ví dụ như quá trình đông đặc...).
Để tách nước trong trường hợp này có thể dùng phương pháp nén ép, làm cho nước
bay hơi hoặc phá vỡ cấu trúc của vật... Sau khi tách nước, vật bị biến dạng nhiều, có
thể thay đổi tính chất, thậm chí có thể thay đổi cả trạng thái pha.
+ Liên kết mao dẫn:
Nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản, ví dụ như gỗ, vải... Trong các vật thể này có
vô số các mao quản. Các vật thể này khi để trong không khí, nước sẽ theo các mao
quản xâm nhập vào vật thể. Khi vật thể này đặt trong môi trường không khí ẩm thì
hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao dẫn và theo các mao quản xâm nhập vào vật
thể. Tách ẩm liên kết mao dẫn bằng phương pháp làm cho ẩm bay hơi hoặc đẩy ẩm
ra bằng áp suất lớn hơn áp suất mao dẫn. Vật sau khi tách ẩm mao dẫn nói chung vẫn
giữ được kích thước, hình dáng và các tính chất hoá lý.
+ Liên kết dính ướt:
Được hình thành do nước bám dính vào bề mặt vật với góc dính ướt <90 oC và
dính ướt nhờ vào sức căng bề mặt. Ẩm liên kết dính ướt được tách khỏi vật dễ dàng
bằng phương pháp bay hơi, đồng thời cũng có thể tách ra bằng các phương pháp cơ
học như: lau, thấm, thổi, vắt ly tâm...
1.2 Quá trình đốt nóng và làm lạnh

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 10


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

1.2.1 Quá trình đốt nóng và đốt nóng tăng ẩm

1) Quá trình đốt nóng không tăng ẩm
Qúa trình này xảy ra
nhiệt (calorife) trong hệ
thống sấy. Giả sử không

1

t1

kkk

0
n

I, kJ/kg

nhờ thiết bị trao đổi

tn
B

khí tại điểm A(t0, ϕ 0 )

N
t0

được đốt nóng không
tăng ẩm đến điểm B(t1,
ϕ1 ). Đặc trưng của quá

A

trình đốt nóng là nhiệt
độ tăng nhưng lượng
chứa ẩm d không đổi.

d0

dn

d kg/kg kkk

2) Quá trình đốt nóng tăng ẩm
Quá trình đốt nóng tăng ẩm thường được sử dụng trong kỹ thuật xử lý không khí
bằng cách phun nước hoặc hơi nước có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ không khí vào
không khí. Chẳng hạn, không khí ở trạng thái A(t 0, ϕ 0 ) cần đốt nóng tăng ẩm đến
trạng thái N(tn, ϕ n ) (tn>t0; ϕ n > ϕ 0 ) thì quá trình đó được biểu diển trên đồ thị theo
đường AN, trong đó N là giao điểm của 2 đường t = tn = const và ϕ = ϕ n = const.
1.2.2 Quà trình làm lạnh và làm lạnh - khử ẩm
Quá trình làm lạnh ngược với quá trình đốt nóng. Trong quá trình này nhiệt độ
giảm và độ ẩm tương đối tăng lên.
1) Quá trình làm lạnh đẳng entanpi
Quá trình này xẩy ra khi phun nước có cùng nhiệt độ với không khí vào không
khí. Chẳng hạn không khí tại điểm A được làm lạnh đẳng entanpi đến nhiệt độ t 1
nào đó thì điểm cuối của quá trình làm lạnh B1’ là điểm cắt nhau giữa đường I = I0 =
const và đường t = t1 = const. Nếu muốn khử ẩm theo quá trình làm lạnh đẳng
entanpi thì không

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 11


Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

khí ở điểm B1’ phải
được tiếp tục làm lạnh

I, kJ/kg

kkk

Đồ án tốt nghiệp

đến trạng thái bảo hoà
B2” có nhiệt độ đọng
sương

tS1. Điểm

=100%

0

A

t0
t1
t s1

B 1'

B2”

B 2''

chính là giao điểm của
đường I = I0 = const và
đường ϕ = 100%. Nếu

B 3'
d, kg/kg kkk

không khí tại điểm B2”
tiếp tục được làm lạnh thì quá trình khử ẩm bắt đầu và sẽ diễn ra dọc theo đường ϕ
= 100% về phía d giảm.
2) Quá trình làm lạnh đẳng ẩm
Quá trình này xẩy ra khi không khí ẩm ở một trạng thái nào đó bị mất nhiệt do
trao đổi nhiệt với môi trường. Do đó lượng chứa ẩm của nó không đổi. Không khí
tại điểm A được làm lạnh theo quá trình d = const đến nhiệt độ đọng sương t S2 thì
điểm đọng sương B3’ sẽ là giao điểm của đường d = do = const và đường ϕ =100%.
Tương tự nếu không khí ở điểm B 3’ tiếp tục được làm lạnh thì quá trình khử ẩm sẽ
bắt đầu và được thực hiện dọc theo đường ϕ = 100% về phía d giảm.
1.3 Các phương pháp sấy
Sấy là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật. Tuy nhiên, sấy là một quá
trình công nghệ đòi hỏi sau khi sấy, vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn
năng lượng ít và chi phí vận hành thấp. Có hai phương pháp sấy:
1.3.1 Phương pháp sấy nóng
Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy và vật liệu sấy được đốt nóng. Do
tác nhân sấy được đốt nóng nên độ ẩm tương đối φ giảm dẫn đến phân áp suất hơi

nước pam trong tác nhân sấy giảm. Mặt khác do nhiệt độ của vật liệu sấy tăng lên
nên mật độ hơi trong các mao quản tăng và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật
cũng tăng theo công thức:
φ=

pr
 2δρ h 
= exp −

po
 po ρ r 

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

(1.9)

Trang 12


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Trong đó:
Pr_ áp suất trên bề mặt cột mao dẫn, N/m2.
Po_ áp suất trên bề mặt thoáng, N/m2.
δ_Sức căng bề mặt thoáng,N/m2.
ρ h _ mật độ hơi trên cột dịch thể trong ống mao dẫn, kg/m3.
ρ o _ mật độ dịch thể, kg/m3.

Như vậy trong hệ thống sấy nóng có hai cách để tạo ra độ chênh phân áp suất hơi
nước giữa vật liệu sấy và môi trường:
1) Giảm phân áp suất của hơi nước trong tác nhân sấy bằng cách đốt nóng.
2) Tăng phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy.
Tóm lại, nhờ đốt nóng cả tác nhân sấy và vật liệu sấy hoặc chỉ đốt nóng vật liệu
sấy mà hiệu số giữa phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật Phb và phân áp suất hơi
nước trong tác nhân sấy Ph tăng lên dẫn đến quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng
vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường.
Do đó, hệ thống sấy nóng thường được phân loại theo phương pháp cung cấp
nhiệt:
+ Hệ thống sấy đối lưu: Vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể
nóng mà thông thường là không khí nóng hoặc khói lò. Hệ thống sấy đối lưu gồm:
hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động….
+ Hệ thống sấy tiếp xúc: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng. Như vậy
trong hệ thống sấy tiếp xúc, người ta tạo ra độ chênh lệch áp suất nhờ tăng phân áp
suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy. Hệ thống sấy tiếp xúc gồm: hệ thống sấy lô,
hệ thống sấy tang…
+ Hệ thống sấy bức xạ: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để dẫn ẩm
dịch chuyển từ lòng vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường. Ở đây
người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường bằng
cách đốt nóng vật.

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 13


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

+ Hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường:
Khi vật liệu sấy đặt trong môi trường điện từ thì trong vật xuất hiện các dòng điện
và chính dòng điện này sẽ đốt nóng vật.
* Ưu điểm của phương pháp sấy nóng:
+ Thời gian sấy bằng các phương pháp sấy nóng ngắn hơn so với phương pháp
sấy lạnh.
+ Năng suất cao và chi phí ban đầu thấp.
+ Nguồn năng lượng sử dụng cho phương pháp sấy nóng có thể là khói thải, hơi
nước nóng, hay các nguồn nhiệt từ dầu mỏ, than đá, rác thải,... cho đến điện năng.
+ Thời gian làm việc của hệ thống cũng rất cao.
* Nhược điểm
+ Chỉ sấy được các vật sấy không cần có các yêu cầu đặc biệt về nhiệt độ.
+ Sản phẩm sấy thường hay bị biến màu và chất lượng không cao.
1.3.2 Phương pháp sấy lạnh
Trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh áp suất hơi nước giữa vật
liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy P h
nhờ giảm độ chứa ẩm d. Mối quan hệ đó được thể hiện theo công thức:
Ph =

B.d
0,621 + d

(1-10).

Trong đó: B: áp suất môi trường (áp suất khí trời).
Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có
thể trên dưới nhiệt độ môi trường (t > 0 oC) và cũng có thể nhỏ hơn 0 oC.
Có thể phân loại hệ thống sấy lạnh như sau:
1. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ t > 0 oC

Với hệ thống sấy này, nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ
bằng nhiệt độ môi trường. Tác nhân sấy thường là không khí. Trước hết, không khí
được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm hấp phụ. Sau
đó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu sấy.
Khi đó, phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bé hơn phân áp suất hơi nước trên
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 14


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

bề mặt vật liệu sấy nên ẩm từ dạng lỏng sẽ bay hơi và đi vào tác nhân sấy. Như vậy,
quy luật dịch chuyển ẩm trong lòng vật liệu sấy và từ bề mặt vật vào môi trường
trong các hệ thống sấy lạnh giống như các loại hệ thống sấy nóng. Điều khác nhau ở
đây là cách giảm phân áp suất hơi nước P h trong tác nhân sấy. Trong các hệ thống
sấy nóng đối lưu người ta giảm P h bằng cách đốt nóng tác nhân sấy (d = const) để
tăng áp suất bão hoà dẫn đến giảm độ ẩm tương đối ϕ . Còn các hệ thống sấy lạnh
có nhiệt độ tác nhân sấy bằng nhiệt độ môi trường chẳng hạn, người ta tìm cách
giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy bằng cách giảm lượng chứa ẩm d kết
hợp với quá trình làm lạnh (sau khử ẩm bằng hấp phụ) hoặc đốt nóng (sau khử ẩm
bằng làm lạnh)
2. Hệ thống sấy thăng hoa
Hệ thống sấy thăng hoa là hệ thống sấy lạnh mà trong đó ẩm trong vật liệu sấy ở
dạng rắn trực tiếp biến thành hơi đi vào tác nhân sấy. Trong hệ thống sấy này người
ta tạo ra môi trường trong đó nước trong vật liệu sấy ở dưới điểm 3 thể, nghĩa là
nhiệt độ của vật liệu T<273 K và áp suất tác nhân sấy bao quanh vật P<610 Pa. Khi
đó nếu vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng thì nước trong vật liệu sấy ở dạng rắn sẽ

chuyển trực tiếp sang dạng hơi và đi vào tác nhân sấy. Như vậy trong hệ thống sấy
thăng hoa, một mặt ta làm lạnh vật xuống dưới 0 oC mặt khác tạo chân không xung
quanh vật liệu sấy.
3. Hệ thống sấy chân không
Nếu nhiệt độ vật liệu sấy vẫn nhỏ hơn 273 K nhưng áp suất tác nhân sấy bao
quanh vật P>610 Pa thì khi vật liệu sấy nhận nhiệt lượng, nước trong vật liệu sấy ở
dạng rắn không thể chuyển trực tiếp thành hơi để đi vào tác nhân sấy mà trước khi
biến thành hơi, nước phải chuyển từ thể rắn qua thể lỏng.
* Ưu điểm của phương pháp sấy lạnh
+ Các chỉ tiêu về chất lượng như màu cảm quan, mùi vị, khả năng bảo toàn
vitamin C cao.
+ Thích hợp để sấy các loại vật liệu sấy yêu cầu chất lượng cao, đòi hỏi phải sấy
ở nhiệt độ thấp.
+ Sản phẩm bảo quản lâu và ít bị tác động bởi điều kiện bên ngoài
+ Quá trình sấy kín nên không phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường.
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 15


ỏn tt nghip

Khoa Cụng Ngh Nhit - in Lnh

* Nhc im ca phng phỏp sy lnh
+ Giỏ thnh thit b cao, tiờu hao in nng ln.
+ Vn hnh phc tp, ngi vn hnh cn cú trỡnh k thut cao.
+ Cu to thit b phc tp, thi gian sy lõu.
+ Nhit mụi cht sy thng gn nhit mụi trng nờn ch thớch hp vi
mt s loi vt liu, khụng sy c cỏc vt liu d b vi khun lm h hng nhit

mụi trng nh b ụi, thiu, mc[15]
+ Do cun bi nờn cú th gõy tc ti thit b lm lnh.
1.3.3 S thit b v trng thỏi tỏc nhõn sy ca h thng sy lnh
Cú th t chc sy nhit thp theo s hi lu tun hon. Ta xột cỏc s
sau:
S 1

C0

II

A

t1
kkk

I

I, kJ/kg

B

A

IV
III
I Thióỳt bở sỏỳy
II Maùy huùt ỏứm

C0

B

=100%

III Maùy laỷnh
IV

Quaỷt

d, kg/kg kkk

d1

d2

Nguyờn lý
Tỏc nhõn sy sau khi ra khi thit b sy c dn qua mỏy hỳt m kh bt
m. Thng quỏ trỡnh kh m, do cht hp ph phi liờn tc hon nguyờn nờn quỏ
trỡnh kh m l quỏ trỡnh d gim, nhit tng. Trờn th I-d biu din bi ng
C0A. Khụng khớ trng thỏi A xỏc nh bi cp thụng s (d 1,t1), c lm lnh n
trng thỏi B xỏc nh bi cp thụng s (d 1,t0). Tỏc nhõn sy trng thỏi B cú nhit
v m tng i 1 rt bộ c a vo thit b sy thc hin quỏ trỡnh sy
ng nhit BC0.
SVTH: Cao Vn Sn - Lp 02N

Trang 16


ỏn tt nghip

Khoa Cụng Ngh Nhit - in Lnh

S 2

B

I

C0

II

I, kJ/kg kkk

t2

A

III

I
II
III

A

C0
B
A1

Thióỳt bở sỏỳy
Maùy laỷnh khổớ ỏứm
Maùy laỷnh

A2
d1

t0
=100%

t1
d, kg/kg kkk

d2

Nguyờn lý:
Tỏc nhõn sy sau khi ra khi thit b sy c lm lnh kh m theo quỏ trỡnh
C0A1A2. Khụng khớ trng thỏi C0 cú nhit t0 v lng cha m d2 c lm
lnh ng m (d2 = d = const) n trng thỏi bo ho A 1. Khụng khớ trng thỏi A1
c tip tc lm lnh. Khi ú hi nc trong khụng khớ s ngng t mt phn. Gi
s trng thỏi A2 cú thụng s (d1,t1) v ta cú: d1thỏi bo ho A2 c t núng ng dung m d = d 1 = const n nhit mụi
trng t0 theo quỏ trỡnh A2B trong b t núng. Tỏc nhõn sy trng thỏi B cú nhit
t0 nhng m tng i 1 rt bộ c a vo thit b sy thc hin quỏ
trỡnh sy ng nhit BC0.
1.4 Phng phỏp sy lnh bng bm nhit
1.4.1 Th sy
Trong quỏ trỡnh sy, cú th hp th c m trong vt, tỏc nhõn sy cn phi
cú th sy ln. Tc l phõn ỏp sut hi nc ca tỏc nhõn sy ti b mt vt sy nh
hn phõn ỏp sut ca hi nc trong vt, nh ú m s thoỏt ra khi vt v c tỏc

nhõn sy hp th. i vi tỏc nhõn sy l khụng khớ, lm c iu ú thỡ m
tng i ca khụng khớ phi nh. Trong cụng ngh sy lnh, ngi ta tp trung
lm gim dung m ca khụng khớ, nhng ng thi cng yờu cu nhit phi nh
hn nhit mụi trng [6]. Khụng khớ c hỳt m, cha hi gim lm cho
SVTH: Cao Vn Sn - Lp 02N

Trang 17


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Cơng Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

ẩm tương đối giảm (nhiệt độ có thể khơng đổi) dẫn đến nhiệt độ nhiệt kế ướt giảm.
tức là làm tăng độ chênh ∆ t = tk – tu. Trị số ∆ t tăng sẽ tăng cường truyền nhiệt từ
khơng khí tới vật làm cho ẩm bốc hơi thốt vào khơng khí dưới tác động của chênh
lệch phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật và khơng khí.
1.4.2 So sánh hai phương pháp sấy lạnh
1. Thiết bị bài ẩm chun dụng.
Để hút ẩm đến độ ẩm nhỏ và sấy lạnh, lâu nay chúng ta hay dùng máy bài ẩm –
tên gọi tiếng Việt để chỉ máy hút ẩm chun dùng kiểu hấp phụ [8]. Sơ đồ cấu tạo
của hệ thơng như hình vẽ:

Khäng khê áøm

Bạnh cháút háúp phủ

Dn lm nọng khäng khê

Lỉåïi

lc
bủi

Khäng khê khä

Khäng
khê
áøm

Dn lm lảnh khäng khê
Lỉåïi lc bủi

Âäüng cå

Khäng khê
khä â âỉåüc
gim nhiãût âäü

Khäng gian cáưn hụt áøm

Så âäư ngun l thiãút bë bi áøm chun dủng

Ngun lý:
Khơng khí ẩm được cho đi qua một khối chất hấp phụ chế tạo ở dạng bánh xe
quay. Ẩm trong khơng khí được hấp thụ. Sau khi hấp thụ ẩm, phần bánh chất hấp
phụ ẩm quay sang phía có dòng khơng khí nóng đi qua (khơng khí nóng này được
gia nhiệt bởi một dàn điện trở) và được hồn ngun – khơi phục được khả năng hút
ẩm. Phần bánh chất hấp phụ hồn ngun trao đổi nhiệt với dòng khơng khí nóng
nên sau khi hồn ngun nhiệt độ của nó tương đối cao. Do vậy khi hấp thụ ẩm trở
lại, nhiệt độ dòng khơng khí cũng cao do trao đổi nhiệt với phần bánh hấp phụ

nóng. Khơng khí khơ vì vậy cần được đưa qua một máy lạnh để đưa nhiệt độ khơng
khí đến nhiệt độ cần thiết cho q trình sấy. Sau đó dòng khí khơ nhiệt độ thấp sẽ
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 18


ỏn tt nghip

Khoa Cụng Ngh Nhit - in Lnh

c a vo bung sy. m trong vt s c khụng khớ khụ hp th chuyn
thnh khụng khớ m. Dũng khớ m quay tr v thit b bi m. y l mt chu kỡ
lm vic ca thit b.[6]
Mỏy bi m cú u im l kh nng hỳt m ln, nng sut hỳt m khỏ cao. Tuy
nhiờn nú cũn cú nhiu nhc im:
+ Tiờu hao nng lng ln (cho hot ng ca dn in tr v mỏy lnh) lm cho
chi phớ s dng cao.
+ Cht hp ph sau mt thi gian hot ng s cn c thay th, m cht hp
ph ny thng phi nhp ngoi nờn lm cho chi phớ bo dng cao.
+ Giỏ thnh thit b ln, ngoi mỏy hỳt m ra cũn kt hp vi mỏy lnh nờn chi
phớ u t ban u cao.
+ Trong iu kin lm vic nhiu bi thỡ mỏy phi cú thi gian ngng hot ng
lm sch cho cht hp ph ca mỏy hỳt m.
2. Thit b bm nhit

Daỡn noùng

Daỡn laỷnh

Buọửng sỏỳy laỷnh

Sồ õọử nguyón lyù cuớa hóỷ thọỳng bồm nhióỷt
maùy neùn
Nguyờn lý:
Khụng khớ m c a qua dn lnh. Ti õy, m trong khụng khớ c ngng
t li trờn dn lnh. Do vy, dung m trong khụng khớ gim xung nhng nhit
ca nú cng gim nờn m tng i cao. Sau ú dũng khớ li tip tc c a
qua dn núng. Ti õy, dũng khớ c sy núng ng dung m lm cho m tng
i ca nú gim xung.[6]
* u im ca phng phỏp:

SVTH: Cao Vn Sn - Lp 02N

Trang 19


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

+ Giảm chi phí cho thiết bị, chi phí cho vận hành và bảo dưỡng.
+ Năng lượng của dàn nóng và dàn lạnh đều được tận dụng triệt để.
+ Quá trình hoạt động của thiết bị không bị gián đoạn do không phải thay thế
chất hấp phụ như trong máy bài ẩm chuyên dụng.
+ Tuổi thọ thiết bị cao, trong khoảng thời gian 10 năm, thiết bị hầu như không
cần đòi hỏi bảo dưỡng. Chỉ cần sau một thời gian làm việc, ta vệ sinh các dàn để
đảm bảo điều kiện trao đổi nhiệt.
+ Điện năng sử dụng cũng thấp hơn nhiều so với phương pháp dùng máy bài ẩm.
+ Chất lượng và màu sắc của vật sấy được giữ tốt hơn, thích hợp để sấy khô các

loại vật phẩm không chịu được nhiệt độ cao.
* Nhược điểm của phương pháp:
+ Thời gian sấy thường lâu hơn so với các phương pháp sấy khác. Để khắc phục
nhược điểm này ta có thể dùng thiết bị sấy với tốc độ cao.
+ Chỉ sấy được ẩm tự do, việc sấy ẩm liên kết là rất khó khăn.[15]
1.4.3 Đặc tính quá trình sấy lạnh

quá trình sấy đều nhỏ

I, kJ/kg

và độ ẩm không khí cuối

kkk

Khi sấy lạnh, nhiệt độ

hơn các giá trị tương

t2

ứng của môi trường.

ts

3"

=100

2

1

2'
2s

Quá trình làm việc của
bơm nhiệt sấy lạnh xẩy
ra theo chu trình 1231
như hình vẽ. Còn quá

t3

3

3'
d, kg/kg kkk

d3

d2

trình làm việc của tổ hợp
máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh là chu trình 23”12. Như vậy, với cùng mục
đích tạo nên quá trình sấy 1-2 thì khi dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp, ta đã tạo ra quá
trình làm lạnh 2-3 và gia nhiệt 3-1 thay cho quá trình khử ẩm 2-3” và làm lạnh 3”-1
mà phải có máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh mới thực hiện được.
Trong các quá trình này thì quá trình làm khô không khí 2-3 ở dàn bay hơi của
bơm nhiệt có vai trò đặc biệt quan trọng quyết định hiệu quả của toàn bộ quá trình
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 20


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

gia nhiệt không khí ở dàn ngưng 3-1 và quá trình sấy sản phẩm trong buồng sấy 12. Ở đây, 2-3 là quá trình thực làm lạnh hổn hợp không khí-nước hay quá trình làm
lạnh khử ẩm của không khí. Quá trình này không diễn biến theo quy luật đường
thẳng mà theo quan hệ đường cong lõm với độ dốc lớn nhất ở đầu quá trình làm
lạnh. Sở dĩ như vậy là do trạng thái không khí nhận được là hỗn hợp của 2 dòng
không khí: dòng thứ nhất truyền nhiệt bằng dẫn nhiệt khi tiếp xúc trực tiếp với dàn
lạnh và có nhiệt độ gần nhiệt độ bề mặt; dòng thứ hai không tiếp xúc trực tiếp với
dàn lạnh nên có nhiệt độ cao hơn. Hai dòng này 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 của hổn hợp[8]. Quá trình lý thuyết làm lạnh hổn hợp này từ
nhiệt độ t2 của không khí sau buồng sấy tới nhiệt độ t 3 của không khí sau dàn lạnh là
22s3’. Tuy nhiên, trong thực tế sẽ có sự sai khác giữa điểm 3’(không khí bão hoà)
và điểm 3 (không khí chưa bão hoà). [11]

SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 21


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

Chương 2

LÝ THUYẾT VỀ BƠM NHIỆT
2.1 Khái quát về bơm nhiệt
Năm 1852, Thomson (Lord Kelvin) sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên của thế giới.
Song song với kỹ thuật lạnh, bơm nhiệt có bước phát triển của riêng mình. Những
thành công lớn nhất của bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940 khi hàng loạt bơm
nhiệt công suất lớn được lắp đặt thành công ở nhiều nước châu Âu để sưởi ấm, đun
nước nóng và điều hoà không khí.[12]
Từ khi xẩy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt lại
bước vào một bước tiến nhảy vọt mới. Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cở cho các
ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị
trường. Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa
không khí, sấy, hút ẩm, đun nước….
Sơ đồ nguyên lý của bơm nhiệt

qk
Tk

qk

NT
2

3
TL

MN

4

l

l
1

q0

Båm nhiãût

BH

T0

q0
Hình a: Sơ đồ thiết bị

Hình b: Sơ đồ dòng năng lượng

MN: Máy nén; NT: Thiết bị ngưng tụ; TL: Van tiết lưu; BH:thiết bị bay hơi
l: Công tiêu tốn cho máy nén; qo: Nhiệt lượng lấy từ môi trường.
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 22


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh
qk: Nhiệt lượng thải ra ở dàn ngưng tụ.

2.2 Nguyên lý hoạt động

Bơm nhiệt là một thiết bị dùng để bơm một dòng nhiệt từ mức nhiệt độ thấp lên
mức nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt. Để duy trì bơm nhiệt hoạt
động cần tiêu tốn một dòng năng lượng khác (điện hoặc nhiệt năng). Như vậy máy
lạnh cũng là một loại bơm nhiệt và có chung một nguyên lý hoạt động. Các thiết bị
của chúng là giống nhau. Người ta chỉ phân biệt máy lạnh với bơm nhiệt ở mục đích
sử dụng mà thôi. 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 hơn.
Cũng như máy lạnh, bơm nhiệt làm việc theo chu trình ngược với các quá trình
chính như sau:

T

lgP

2
3

3

4

2

4

1

1

S

i

1 – 2: quá trình nén hơi môi chất từ áp suất thấp, nhiệt độ thấp lên áp suất cao và
nhiệt độ cao trong máy nén hơi. Qúa trình nén là đoạn nhiệt.
2 – 3: quá trình ngưng tụ đẳng nhiệt trong thiết bị ngưng tụ, thải nhiệt cho môi
trường.
3 – 4: quá trình tiết lưu đẳng entanpi (i 3 = i4) của môi chất lỏng qua van tiết lưu từ
áp suất cao xuống áp suất thấp.
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 23


Đồ án tốt nghiệp

Khoa Công Nghệ Nhiệt - Điện Lạnh

4 – 1: quá trình bay hơi đẳng nhiệt ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp, thu nhiệt của
môi trường lạnh.
Mục đích sử dụng chính của bơm nhiệt là lượng nhiệt thải ra ở thiết bị ngưng tụ.
Năng suất nhiệt của bơm nhiệt chính là phương trình cân bằng nhiệt ở máy lạnh:
qk = qo + l
Hiện nay, người ta chế tạo nhiều loại bơm nhiệt làm việc theo nhiều nguyên lý
khác nhau như bơm nhiệt hấp thụ, bơm nhiệt nén khí, bơm nhiệt nén hơi, bơm
nhiệt nhiệt điện. Nói chung, hiện nay tất cả các loại bơm nhiệt đều được sử dụng
nhưng được sử dụng rộng rãi nhất vẫn là bơm nhiệt nén hơi.
Ngoài bốn loại bơm nhiệt nói trên chúng còn được ghép lại với nhau nhằm đạt
hiệu quả nhất định. Ví dụ bơm nhiệt hấp thụ - nén hơi nhằm mục đích tăng nhiệt độ

ngưng tụ, qua đó tăng nhiệt độ chất tải nhiệt. Nguyên lý hoạt động chủ yếu như máy
lạnh hấp thụ nhưng giữa bình sinh hơi và dàn ngưng người ta lắp thêm một máy nén
hút hơi từ bình sinh hơi và nén vào dàn ngưng. Áp suất ngưng tụ cao lên đưa nhiệt
độ ngưng tụ cao lên theo, và hệ số nhiệt của nó tăng lên đáng kể.
2.3 Hệ số nhiệt của bơm nhiệt
Để đánh giá hiệu quả chuyển hóa năng lượng, ta dùng hệ số nóng (hệ số bơm
nhiệt) với định nghĩa: hệ số nóng ϕ là nhiệt lượng môi chất thải cho nguồn nóng
ứng với một đơn vị công hổ trợ và được biểu thị bằng:
ϕ=

qk q0 + l
=
= ε +1.
l
l

(2-1)

Nếu sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp thì hiệu quả kinh tế còn cao hơn nhiều
vì chỉ cần tiêu tốn một dòng năng lượng l ta được cả năng suất lạnh q 0 và năng suất
nhiệt qk như mong muốn. Gọi ϕ ε là hệ số nhiệt lạnh của bơm nhiệt nóng lạnh thì:
ϕε =

q k + q0
= ϕ + ε = 2ε + 1
l

(2-2)

Như vậy hệ số nhiệt của bơm nhiệt là đại lượng luôn lớn hơn 1. Do đó ứng dụng

của bơm nhiệt bao giờ cũng có lợi về nhiêt. Hệ số nhiệt của bơm nhiệt đóng vai trò
quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt.
Hệ số nhiệt thực của bơm nhiệt ϕ nhỏ hơn hệ số nhiệt lý thuyết tính theo chu
trình Cácnô ϕ c .
SVTH: Cao Văn Sơn - Lớp 02N

Trang 24


ỏn tt nghip

Khoa Cụng Ngh Nhit - in Lnh
= . c

(2-3)

Vi hai ngun núng - lnh cú nhit Tk v T0, theo chu trỡnh Cỏcnụ ta cú:[4]
c =

Nh vy ta suy ra:

Tk
Tk T0

= .

(2-4)

Tk
Tk T0

(2-5)

Trong ú l hiu sut execgi hay h s hon nhit ca chu trỡnh thc.
Da vo phng trỡnh trờn ta thy h s nhit lý thuyt cú th tớnh theo chu trỡnh
Cỏcnụ ph thuc vo hiu nhit ca dn ngng t v dn bay hi. bm nhit
t hiu qu kinh t cao thỡ thng ngi ta phi chn hiu nhit T sao cho h
s nhit thc t ca bm nhit phi t t 3 n 4 tr lờn, ngha l hiu nhit phi
nh hn 60K. Cng chớnh vỡ lý do ú m ch trong nhng trng hp c bit ngi
ta mi s dng hai cp nộn. ú chớnh l s khỏc bit quan trng gia bm nhit v
mỏy nộn.[12]
2.4 So sỏnh cỏc phng ỏn cp nhit
thy rừ hiu qu nng lng ca bm nhit ta cú th so sỏnh mt s phng
ỏn trờn s cp nhit t ngun nng lng s cp n ni tiờu th. Ngun nng
lng s cp l than, du m v khớ thiờn nhiờn. nc ta ngun nng lng s
cp ch yu l than ỏ nờn ta ly than ỏ cho nhng vớ d v cp nhit. Vớ d ta cn
cp nhit cho lũ sy t 70 n 100 oC, ngha l nhit ú phự hp vi kh nng
ca bm nhit.
+ Phng ỏn 1:

Nng
lổồỹng
sồ cỏỳp

SVTH: Cao Vn Sn - Lp 02N

100
than
khai
thaùc ồớ

moớ

70%
hao
huỷt ồớ
nhaỡ
maùy
õióỷn

3%
hao
huỷt
trón
õổồỡng
taới
õióỷn

Nng lổồỹng hổớu ờch

Trang 25