Nghiên cứu đánh giá hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

BÁO CÁO NGHIÊN CỨU KHOA HỌC
ĐỀ TÀI: “XÂY DỰNG PHẦN MỀM ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CÁC
THÔNG SỐ TỚI HỆ THỐNG BƠM NHIỆT KẾT HỢP VỚI VI SÓNG”
1, Đặt vấn đề
Vấn đề tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường và nâng cao chất lượng
chế biến sau thu hoạch các sản phẩm nông, lâm, thủy, hải sản đã và đang đặt ra
như một thách thức có tính chất toàn cầu vì đây là chìa khóa để giải quyết vấn
đề an ninh lương thực, đồng thời góp phần giảm ô nhiễm và hủy hoại môi
trường thiên nhiên, đảm bảo sự phát triển bền vững của loài người. Do đó có thể
nói hiện nay vấn đề tiết kiệm năng lượng, bảo vệ môi trường và giảm tổn thất
chế biến, bảo quản sau thu hoạch các sản phẩm nông, lâm, thủy, hải sản có sự
liên quan chặt chẽ, biện chứng với nhau bởi vì nâng cao chất lượng chế biến sau
thu hoạch của các loại nông sản, thực phẩm, dược liệu kết hợp với sử dụng công
nghệ sẽ trực tiếp và gián tiếp đóng góp cho việc sử dụng năng lượng tiết kiệm,
hiệu quả và bảo vệ môi trường. Ngược lại, ứng dụng những công nghệ tiên tiến
có hiệu quả năng lượng sẽ góp phần giảm tổn thất sau thu hoạch lại góp phần
đảm bảo an ninh lương thực trên thế giới.
Thực trạng hiện nay cho thấy tỷ lệ thất thoát sau thu hoạch rất cao, nhất là
mặt hàng nông sản, thực phẩm. Theo thống kê của Liên Hiệp Quốc, mỗi năm
trên thế giới trung bình thiệt hại về lương thực chiếm từ 15 – 20%, tính ra tới
130 tỷ USD, đủ để nuôi sống 200 triệu người/năm (trong khi ở Việt Nam, tỷ lệ
này tương đối cao từ 25% đến 30%). Để giải quyết vấn đề trên, ngoài vấn đề xử
lý cận thu hoạch còn cần ứng dụng công nghệ tiên tiến sau thu hoạch giúp nâng
cao giá trị cho ngành hàng nông sản, thực phẩm chế biến.
Trong các quá trình chế biến, bảo quản sau thu hoạch, ứng dụng các công
nghệ sấy nông sản không chỉ cần kéo dài thời gian bảo quản mà còn giữ được
phần nào chất lượng ban đầu của sản phẩm. Công nghệ sấy bơm nhiệt kết hợp

với vi sóng là một công nghệ mới không chỉ giữ được các thành phần vitamin,
các hợp chất hữu cơ có ích và mặt thương phẩm như màu sắc, mùi vị mà công
P a g e 1 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

nghệ còn thúc đẩy quá trình bốc hơi của sản phẩm nhanh hơn, qua đó giúp rút
ngắn được thời gian sấy. Tuy nhiên, sấy là quá trình truyền nhiệt và truyền chất
phức tạp với các điều kiện và chế độ sấy khác nhau. Các thông số như nhiệt độ
tác nhân sấy, tốc độ gió hay công suất cấp vi sóng,… ảnh hưởng rất lớn đến chất
lượng cũng như thời gian sấy. Để khảo sát đánh giá các thông số ảnh hưởng đến
hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp với vi sóng, từ đó hỗ trợ trong việc đưa ra được
chế độ sấy phù hợp thì cần phải có một công cụ giúp ta tiết kiệm được thời gian
và công sức thí nghiệm. Đây cũng chính là nội dung nghiên cứu của đề tài, đó là
“Xây dựng phần mềm đánh giá ảnh hưởng các thông số tới hệ thống sấy bơm
nhiệt kết hợp với vi sóng”.
2. Giải quyết vấn đề
2.1. Cơ sở lý thuyết về hệ thống bơm nhiệt kết hợp vi sóng
2.1.1. Công nghệ sấy bơm nhiệt
Trước những yêu cầu về chất lượng sản phẩm ngày càng cao, nhất là sản phẩm
xuất khẩu theo tiêu chuẩn quốc tế IFS,… ngoài yêu cầu về độ khô, một số sản
phẩm còn đòi hỏi phải đảm bảo màu sắc, hương vị cao như các sản phẩm có
chứa tinh dầu, hương hoa, dược phẩm, thực phẩm chất lượng cao… Vì vậy để
đáp ứng được yêu cầu về màu sắc, mùi vị tự nhiên sau khi sấy, người ta đã áp
dụng phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp. Trong đó phương pháp sấy sử dụng bơm
nhiệt tỏ ra có hiệu quả cao hơn cả, với ưu điểm chính là nhiệt độ sấy thấp, chi phí
công nghệ cũng như tiêu thụ năng lượng ít hơn nhiều so với các phương pháp

sấy thăng hoa, sấy chân không… So sánh sấy bằng bơm nhiệt và các phương
pháp khác được thể hiện ở bảng 1.
Bản chất phương pháp sấy bằng bơm nhiệt khác với sấy nóng là không tạo
ra thế sấy bằng cách gia nhiệt cho VLS và TNS (không khí), mà tạo ra chênh
lệch phân áp suất hơi nước trên bề mặt của vật liệu sấy và phân áp suất hơi nước
trong TNS. Trong đó việc làm giảm phân áp suất hơi nước hay độ chứa hơi trong
TNS được thực hiện thông qua việc cho TNS là không khí đi qua dàn lạnh của
bơm nhiệt, có nhiệt độ bề mặt nhỏ hơn nhiệt độ đọng sương của TNS để khử ẩm.
Sau đó TNS lại được đi qua dàn ngưng trong của chính bơm nhiệt để gia nhiệt

P a g e 2 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

cho TNS, trước khi đi vào buồng sấy để tiếp xúc và nhận ẩm từ VLS. Trong công
nghệ sấy nhiệt độ thấy gradient nhiệt độ và nồng độ là cùng chiều nên thúc đẩy
tốc độ bốc hơi nước của sản phẩm khá nhanh trong giai đoạn sấy ban đầu (0 và
I).
Vì những ưu điểm rõ rệt nêu trên nên công nghệ sấy bằng bơm nhiệt rất phát
triển trên thế giới trong vòng hơn 50 năm qua và hiện nay vẫn tiếp tục được hoàn
thiện theo các xu hướng chủ đạo sau:
- Khống chế chế độ nhiệt độ, độ ẩm của tác nhân sấy trong bơm nhiệt một
cách chặt chẽ;
- Cho phép nhiệt độ của TNS (không khí) sau khi xử lý bằng bơm nhiệt có thể
thay đổi trong dải nhiệt độ rộng từ 20-55 oC phụ thuộc vào các vật liệu sấy,
để tăng khả năng ứng dụng của sấy bằng bơm nhiệt;
- Tối ưu hóa hệ thống sấy về mặt bơm nhiệt với mục tiêu tiết kiệm năng

lượng
- Mở rộng phạm vi ứng dụng của bơm nhiệt cho các dạng nông sản thực
phẩm khác nhau.
Bảng 2.1. So sánh ưu điểm cúa sấy bằng bơm nhiệt và các phương pháp khác
Phương pháp sấy
Sấy
nóng

Sấy thăng
hoa và
chân không

Sấy lạnh sử dụng
máy hút ẩm kết
hợp máy lạnh

1

Chất lượng sản phẩm
(màu sắc, mùi vị,
vitamin)

Kém

Rất tốt

Tốt

2

Giá thành sản phẩm

Thấp

Đắt hơn
nhiều

Đắt hơn

3

Thời gian sấy

Ngắn
hơn

Ngắn hơn

Lâu hơn sấy nóng

4

Chi phí đầu tư ban
đầu

Thấp

Rất cao

Cao

TT

Chỉ tiêu so sánh

P a g e 3 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

5

Chi phí vận hành và
bảo dưỡng

Thấp

Rất cao

Cao

6

Khả năng điều chỉnh
nhiệt độ TNS theo
yêu cầu công nghệ

Khó

Khó

Bình thường

7

Vệ sinh an toàn thực
phẩm

Không
cao

Rất cao

Cao

8

Bảo vệ môi trường

Không
cao

Không cao

Không cao

9

Phạm vi ứng dụng

Rộng

Rất hẹp

Hẹp hơn

I
Dµn l¹nh
Dµn nãng

3

1

t1

2

t2
1 Khay ®ùng vËt liÖu 2

ϕ=1

3

t3
d1

d2 d

Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý và chu trình TNS (không khí) của bơm nhiệt
Tiêu biểu cho những nghiên cứu đó trong thời gian gần đây là những nghiên
cứu của các tác giả sau: Prasertsan (1996), Soponronnarit (1998), Strommen
(1994) cho thấy các loại rau quả và nông sản, đặc biệt dược liệu được sấy bằng
bơm nhiệt cho chất lượng về màu sắc và mùi vị tốt hơn so với các phương pháp
sấy khác.
Điều này cũng được khẳng định trong báo cáo của Mujumdar (2006), AlvesFilho (1995), đã nghiên cứu sấy bột thực phẩm dành cho người ăn kiêng bằng
phương pháp sấy bơm nhiệt cho thấy sản phẩm sau khi sấy có sự biến tính

P a g e 4 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

protein rất ít cũng như giữ được hoạt tính của enzyme so với bột thực phẩm được
sản xuất bằng phương pháp sấy chân không.
Phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt đã được sử dụng để nghiên cứu quá trình
sấy thịt quả hồng xiêm và cho thấy rằng thời gian sấy ngắn hơn so với sấy bằng
không khí nóng (Janggam và cộng sự, 2008). Việc nghiên cứu sấy quả đào Úc
(dạng thái lát) trong hệ thống sấy bằng bơm nhiệt đã được thực hiện bởi Sunthorvit
và cộng sự (2007). Kết quả cho thấy sản phẩm sấy có chất lượng tốt hơn so với
phương pháp sấy nóng, nhất là hàm lượng lactone và terpenoid còn lại trong sản
phẩm sấy.
Tuy nhiên phương pháp sấy bơm nhiệt có yếu điểm đó là khi vật liệu sấy càng
tiến tới trạng thái ẩm cân bằng trong giai đoạn sấy thứ II (hình 1), thì tốc độ sấy
càng giảm, do thế sấy giữa VLS và TNS thấp không đủ để thoát ẩm. Do đó dẫn

đến độ ẩm cân bằng của VLS bằng bơm nhiệt là khá cao, cũng như chi phí điện
năng tăng cao trong giai đoạn sấy này. Đây chính là lý do tại sao giá thành sấy
bằng bơm nhiệt khá cao làm hạn chế ứng dụng trong việc sấy nông sản.
Để khắc phục vấn đề này và nâng cao hiệu quả năng lượng của hệ thống sấy
bằng bơm nhiệt hiện nay trên thế giới có hai xu hướng chính:
- Hoàn thiện khả năng khử ẩm và tăng hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt
bằng cách sử dụng bơm nhiệt tầng có nhiều nhiệt độ sôi kết hợp với sấy theo
chu kỳ gián đoạn. Việc thay đổi nhiệt độ TNS theo bậc là một phương pháp
hiệu quả để giảm thời gian sấy và cải thiện chất lượng sản phẩm cũng như
cải thiện động học sấy (Chong và Law, (2009)). Trong quy mô phòng thí
nghiệm ở Mỹ đã đạt được suất tiêu hao năng lượng cho việc tách 1 kg ẩm là
0,25-0.27 kWh/kg ẩm;
- Kết hợp bơm nhiệt với công nghệ sấy khác như vi sóng hoặc hồng ngoại.
Trong đó xu hướng thứ 2 đang là xu hướng được giới nghiên cứu ở các nước trên
thế giới quan tâm và triển khai nghiên cứu ứng dụng trong thời gian khoảng 3
năm trở lại đây.
2.1.2 Công nghệ sấy bằng vi sóng
Sự hữu dụng của lò vi sóng để nấu ăn được phát hiện bởi Percy Le Baron
Spencer (người Mỹ) vào năm 1945 khi một số bánh kẹo trong túi của ông bị tan

P a g e 5 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

chảy trong khi ông đang làm việc với các thiết bị radar. Bắt đầu từ năm 1960, vi
sóng được ứng dụng vào các quá trình chế biến như làm khô, ủ, nấu ăn và tiệt
trùng. Tuy nhiên phải tới những năm 70 thì kỹ thuật gia nhiệt bằng vi sóng mới

băt đầu được đưa vào ứng dụng trong lĩnh vực công nghiệp thực phẩm dưới dạng
lò vi sóng và cũng phải tới những năm 90 của thế kỷ trước thì công nghệ vi sóng
mới thực sự hoàn thiện và ứng dụng rộng rãi trong tiêu dùng. Do các tính năng
thuận lợi mà không thể được tìm thấy trong các phương pháp thông thường, chế
biến bằng lò vi sóng đã đạt được ngày càng nhiều người ứng dụng ở các nước
công nghiệp hoá. Tại khu vực Đông Nam Á, các ứng dụng của năng lượng vi
sóng đang còn hạn chế, mới chủ yếu giới hạn ở các thiết bị dân dụng, chưa có
ứng dụng nhiều trong công nghiệp.
Nguyên lý chung của công nghệ này là khi ta đặt thực phẩm trong môi
trường có phát vi sóng (sóng vi ba) có tần số cao khoảng 2450 MHz, các sóng
ngắn này tương tự sóng vô tuyến đi sâu vào trong lòng thực phẩm, mang theo
điện- từ trường, khi gặp các phân từ nước H 2O có cấu tạo phân cực từ các
nguyên tử Oxi và hydro làm cấu trúc này xoay và định hướng lại theo hướng của
điện-từ trường. Do có tần số dao động của sóng vi ba rất lớn 2,45 tỷ lần/s nên
điện trường luôn đổi cực, làm cho các phân tử nước luôn dao động rất nhanh và
sinh nhiệt do ma sát. Lượng nhiệt sinh ra này sẽ được truyền vào bên trong vật
làm nóng vật và bay hơi nước. Dựa theo nguyên lý trên trong khoảng 15 năm trở
lại đây người ta đã ứng dụng chế tạo ra các thiết bị sấy bằng vi sóng có quy mô
lớn được ứng dụng trong công nghiệp. Vì sóng vi ba có bước sóng ngắn nên khả
năng xuyên vào vật chỉ khoảng 10 cm nên phương pháp sấy này rất thích hợp với
sấy nông sản, thực phẩm và dược liệu khi bán kính của VLS nhỏ hơn 10cm. Ưu
điểm chính của công nghệ sấy này là sản phẩm khô đều trong toàn bộ thể tích và
rất nhanh, do nhiệt sinh ra từ chính các phân tử nước chứa trong lòng VLS, làm
cho nhiệt độ ở đây cao hơn bề mặt và đẩy ẩm ra bề mặt bay hơi vào TNS. Ví dụ:
Để sấy khô 100 kg gừng lát từ độ ẩm ban đầu là 90% xuống độ ẩm khoảng 1%
với một hệ thống sấy vi sóng - khí nóng công suất 15 kW có thể hoàn thành công
việc trong vòng 8 giờ . Hiện nay để tăng khả năng tác động của vi sóng với các
VLS có chiều dày lớn, trong công nghiệp người ta còn sử dụng vi sóng với tần
số thấp hơn 915 MHz khá gần với bước sóng Radio.
P a g e 6 | 24

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

Do đó rút ngắn thời gian sấy cũng như đạt được độ ẩm cân bằng cuối quá
trình sấy của vật liệu sấy thấp. Đây là ưu điểm vượt trội của phương pháp sấy
bằng vi sóng so với tất cả phương pháp sấy nóng và sấy lạnh khác.
Tốc độ sấy một sản phẩm của hệ thống vi sóng công nghiệp bị chi phối chủ
yếu bởi lượng nước cần phải tách khỏi sản phẩm, công suất năng lượng vi sóng
sử dụng và tính chất điện môi của sản phẩm (khả năng của sản phẩm làm giảm
năng lượng vi sóng tác động và kết quả là năng lượng vi sóng bị nó hấp thụ). Các
yếu tố khác có ảnh hưởng đến tốc độ quá trình sấy là:
•
•
•
•
•

Nhiệt dung riêng, nhiệt độ bay hơi và nhiệt nóng chảy của sản phẩm;
Nhiệt độ ban đầu và nhiệt độ yêu cầu cuối cùng của sản phẩm;
Độ ẩm ban đầu và độ ẩm cuối cùng mong muốn;
Kích thước và hình dạng của sản phẩm;
Hạn chế nhiệt độ của sản phẩm.

Như vậy, năng lượng vi sóng là một giải pháp cho phép làm tăng nhiệt độ
VLS nhanh hơn các giải pháp thông thường. Tuy nhiên tốc độ tăng nhiệt độ của
VLS phụ thuộc và mật độ năng lượng vi sóng tác động vào VLS. Để duy trì nhiệt
độ của VLS nằm trong giới hạn mong muốn ta cần phải làm chủ khâu điều chỉnh

công suất phát vi sóng cho phù hợp.
Nhược điểm chính của phương pháp sấy vi sóng là thiết bị sấy phức tạp, giá
thành thiết bị cao. Ngoài ra:
•
•

•

•

Vi sóng có thể tương tác với một số kim loại sinh nhiệt rất cao dẫn đến
cháy nổ, gây khó khăn trong việc thiết kế khung sấy và buồng sấy;
Với mỗi loại vật liệu sấy khác nhau, có lượng nước khác nhau, nên ảnh
hưởng của vi sóng lên từng loại vật liệu khác nhau, khó khống chế mức
năng lượng mà vật liệu nhận được;
Bản chất sấy vi sóng cũng chính là sấy sinh nhiệt với tốc độ nhanh, cho
nên cần phải giải quyết bài toán điều chỉnh công suất phát sóng để đảm
bảo nhiệt độ của VLS nằm trong giới hạn cho trước, từ đó khắc phục sự
ảnh hưởng của nhiệt độ cao đến chất lượng sản phẩm sấy;
Mức tiêu thụ điện năng của hệ thống sấy vi sóng công nghiệp đang ở mức
trung bình khoảng 1 kWh/kg ẩm tách được trong một giờ. Tuy có thấp hơn
so với các giải pháp sấy khác như sấy không khí nóng tuần hoàn đến 30-

P a g e 7 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

40%, nhưng vẫn đang còn cao, cần phải nghiên cứu để giảm năng lượng
tiêu thụ bằng giải pháp sấy lai ghép.
2.1.3. Sự kết hợp giữa bơm nhiệt và vi sóng
Kết hợp (lai ghép) công nghệ sấy ở nhiệt độ thấp bằng bơm nhiệt và sử dụng
kết hợp với vi sóng là một trong số những giải pháp nhằm tăng khả năng ứng
dụng và tính cạnh tranh của cả hai công nghệ. Phương án kết hợp nêu trên cho
phép giữ nguyên được các ưu điểm của hai công nghệ sấy, đồng thời rút ngắn
thời gian sấy (ưu điểm sấy vi sóng), tăng chất lượng sản phẩm của quá trình
sấy( ưu điểm sấy ở nhiệt độ thấp bằng bơm nhiệt. Hơn nữa công nghệ lai ghép
này cho phép tiết kiệm một lượng năng lượng đáng kể so với sử dụng riêng biệt
từng công nghệ. Do đó trong thời gian gần đây xuất hiện một số các nghiên cứu
của nước ngoài về vấn đề này. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy bơm nhiệt kết
hợp với vi sóng được thể hiện ở hình 2.

Hình 2.2. Sơ đồ hệ thống sấy kết hợp bơm nhiệt và bộ phát vi sóng
Trong các nghiên cứu nêu trên các tác giả đã chỉ ra với phương án kết hợp như
trên các tác giả đã chỉ ra những ưu điểm chính của hệ thống:
-

-

Tận dụng được thế mạnh của cả sấy bằng bơm nhiệt ở nhiệt độ thấp và sấy
bằng vi sóng cho phép sấy được các vật liệu có vỏ dày và kích thước dày;
Rút ngắn được thời gian sấy còn khoảng một nửa so với sấy bằng bơm nhiệt
P a g e 8 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

-

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

thuần túy, do đó có khả năng tiết kiệm năng lượng tiêu thụ tới 30-40%;
Hệ số tách ẩm riêng phần SMER tăng tới 40% so với sấy bơm nhiệt thuần
túy.

Chính vì những lý do nêu trên nên hiện nay xu hướng nghiên cứu kết hợp
sấy bằng bơm nhiệt với hệ thống phát vi sóng vẫn diễn ra mạnh mẽ trong vòng
khoảng 3 năm trở lại đây. Hiện nay đã xuất hiện một số hệ thống sấy kết hợp
bơm nhiệt, vi sóng và sấy chân không. Hệ thống này theo các tác giả, có hiệu
quả sấy rất tốt, tuy nhiên rõ ràng giá thành đầu tư và chi phí vận hành rất đắt do
đó lại làm hẹp phạm vi ứng dụng. Do đó phương án khả thi nhất cho việc ứng
dụng vẫn là công nghệ sấy kết hợp bơm nhiệt và vi sóng.
2.2. Tiến hành thí nghiệm trên hệ thống sấy bơm nhiệt vi sóng BK-BNVS.10
2.2.1. Công tác chuẩn bị
Để đảm bảo quá trình thí nghiệm được an toàn, chất lượng, số liệu thí
nghiệm được chính xác, công tác chuẩn bị tốt ban đầu không thể thiếu. Trước khi
tiến hành thí nghiệm sấy chum ngây phải thực hiện các công việc sau:
•

Kiểm tra tình trạng máy thí nghiệm

Hình 2.3. Hệ thống sấy lạnh bơm nhiệt kết hợp vi sóng BK-BNVS.10
P a g e 9 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

Kiểm tra các thiết bị, bộ phận của máy như máy nén, các dàn trao đổi
nhiệt, quạt ly tâm, quạt hướng trục, động cơ quạt, các van, các thiết bị điện…Đối
với các thiết bị có bộ phận bôi trơn nếu cần thiết phải bảo dưỡng, tra dầu mỡ.
Đặc biệt đối với các đầu đo, do lâu ngày máy không chạy, rất dễ xảy ra đứt các
mối nối, han gỉ, không tiếp xúc, gây sai số… Vì vậy tôi đã tiến hành kiểm tra rất
kỹ, đo thông mạch kiểm tra từng đầu đo, kiểm tra độ chính xác, đầu đo nào
không đảm bảo thì thay thế. Sau khi kiểm tra xong các thiết bị, bộ phận ta cho
máy chạy thử để đánh giá chính xác tình trạng của máy và khắc phục ngay để
đảm bảo máy hoạt động hiệu quả tốt.
•

Kiểm tra sự rò lọt không khí
Khi máy hoạt động an toàn, hiệu quả, trước khi đưa máy vào thí nghiệm

sấy, công việc không thể thiếu đó là kiểm tra sự rò lọt không khí. Đặc điểm của
sấy bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp là nhiệt độ và độ ẩm của không khí sau sấy là
nhỏ nên phải tránh sự rò lọt không khí. Khi không khí lọt mang lượng ẩm lớn
vào sẽ làm giảm hiệu suất sấy, độ ẩm của buồng sấy không thể giảm xuống tới
mức yêu cầu, vật liệu sấy không khô. Vì vậy tôi tiến hành dùng băng dính, keo
dính silicon làm kín vào các khe, các mối lắp ghép, các lỗ hở, đặc biệt ở phía
quạt hút. Sau đó cho máy chạy thử không tải đo các thông số của không khí
trước và sau các chu kì sấy. Hệ thống đảm bảo ít rò lọt không khí.
•

Chuẩn bị thí nghiệm

Trên cơ sở nghiên cứu về bơm nhiệt sấy, để tiến hành thí nghiệm đảm bảo
đúng các thông số thí nghiệm, chế độ thí nghiệm, tôi đã xây dựng trước số thí
nghiệm, các chế độ thí nghiệm cụ thể ở từng giá trị tTNS, GVLS, uTNS, BP cụ thể. Số

thí nghiệm được xây dựng trên cơ sở: đánh giá ảnh hưởng của các thông số tTNS,
GVLS, uTNS, BP đến hiệu quả quá trình sấy chùm ngây và xác định phương án tối
ưu. Với các chế độ thí nghiệm để xác định giá trị tối ưu của các thông số và chế

P a g e 10 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

độ thí nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến hiệu quả sấy. Các thí
nghiệm được tiến hành sấy theo mẻ.
Chùm ngây được rửa sạch. Đối với chùm ngây thì tuốt lá và cắt nhỏ cuống,
sau đó sắp đều lá và cuống lên khay. Trước khi rải lên khay sấy, cân đủ khối
lượng chùm ngây cần sấy cho một mẻ.
Ngoài 4 thông số ảnh hưởng lớn nhất, chiều dày lớp chùm ngây trên khay sấy
cũng ảnh hưởng đến hiệu quả sấy. Để đánh giá chính xác và đầy đủ ảnh hưởng
của các thông số, trong quá trình thí nghiệm, theo dõi, quan sát thay đổi thứ tự
khay sấy trong buồng sấy, số lượng khay sấy. Cùng khối lượng vật liệu sấy, thay
đổi số lượng khay sấy thì chiều dày lớp vật liệu sấy khác nhau.
2.2.2. Tiến hành thí nghiệm
Các khay sấy được xếp theo thứ tự từng tầng trong buồng sấy, ta tiến hành
đóng cửa buồng sấy, làm kín rồi cho máy chạy. Tiến hành lấy số liệu thực
nghiệm theo trình tự sau:
1.
2.
3.
4.

Bấm giờ đồng hồ ghi lại thời gian bắt đầu máy làm việc;
Ghi lại số chỉ của các công tơ điện tại thời điểm máy bắt đầu làm việc;
Đo tốc độ gió lưu chuyển trong hệ thống;
Khi hệ thống làm việc ổn định, vặn núm chuyển mạch ghi lại các giá trị

8.

nhiệt độ, độ ẩm của không khí tại các điểm trong buồng sấy;
Ghi lại giá trị áp suất của môi chất lạnh trên các đồng hồ đo áp suất;
Cân khối lượng vật liệu sấy;
Lặp lại từ bước 4 đến bước 6 sau mỗi tiếng đồng hồ để lấy số liệu;
Ghi lại chỉ số của các công tơ điện, thời gian đã thí nghiệm. Kết thúc một

9.

chế độ thí nghiệm;
Đóng gói vật liệu sau khi sấy, cân khối lượng thu được sau khi sấy.

5.
6.
7.

2.3. Tính toán trên phần mềm đánh giá ảnh hưởng của các thông số và so
sánh với số liệu thực nghiệm
2.3.1. Mô hình toán học của phần mềm đánh giá ảnh hưởng các thông số tới
hệ thống bơm nhiệt kết hợp với vi sóng.
 Với các thông số cho trước của hệ thống sấy:
P a g e 11 | 24

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

Năng suất của hệ thống sấy: G2 (kg/mẻ)
 Độ ẩm vào và ra của vật liệu sấy: ω1 và ω2 (%)
o
 Nhiệt độ của tác nhân sấy vào buồng sấy: t5 ( C)
 Độ ẩm của tác nhân sấy vào buồng sấy: φ5 (%)
 Thời gian sấy một mẻ: τ (h)
 Áp suất khí quyển: B = 745/750 (bar)
3
 Lưu lượng không khí: Gkk (m /h)
Các bước tính toán trong phần mềm:
 Lượng nước ngưng được (lượng ẩm cần bốc ) của mẻ sấy:




ω1 − ω 2
Wme = G2 . 1 − ω1



Khối lượng sản phẩm ban đầu:
G1 = G2 + Wme
Lượng ẩm trung bình cần bốc hơi trong 1h:

Wh =

Wme
τ



Nhiệt độ ngưng tụ của chu trình 1 là: tk1 = t5 + Δtmin



Phân áp suất bão hòa tại điểm 5:


4026, 42 
pb5 = exp  12 −
÷
235,5 + t5 



Độ chứa hơi tại điểm 5:

d5 = 0,621.



φ5 . pb 5
B − φ5 . pb5

Entanpy tại điểm 5:
I5 = Cpk.t5 + d5.(r + Cpa.t5)

Các thông số tại điểm 1:
Coi quá trình sấy là đẳng nhiệt => t1= t5


4026,42 
pb1 = exp  12 −
÷
235,5 + t1 

W
∆ d = d1 − d 5 = h
Gkk

d1 = d5 + ∆d
I1 = 1,004.t1 + d1.(2500+1,842.t1)

P a g e 12 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

φ1 =


Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

B.d1
pb1.(0,621 + d1 )

Các thông số tại điểm 2 (sau dàn bay hơi 1):

Không có không khí Bypass nên d2 = d1.
Chọn φ2 để năng suất lạnh phân bố đều 2 dàn.

B.d 2
(0,621 + d 2 ).φ2
1200,42 + 235,5.ln( pb 2 )
t2 =
12 − ln( pb 2 )
pb 2 =



I2 = 1,004.t2+d2.(2500+1,842.t2)
Chọn t01 = t2 - Δt0
Các thông số tại điểm 3 (sau dàn bay hơi 2)
d3=d5
Chọn độ ẩm tương đối φ3

pb3 =

B.d3
0,621 + d3

1200,42 + 235,5.ln( pb 3 )
12 − ln( pb 3 )
I3 = 1,004.t3+d3.(2500+1,842.t3)
t02 = t3 – Δt2
t2’ = t3 + 0,5.(t5 – t3)
tk2 = t2’+ Δtmin
Tính toán chu trình:

Năng suất lạnh riêng q0 = h1 – h4
Năng suất giải nhiệt tại dàn ngưng tụ: qk = h2 – h3
Công nén riêng của chu trình: l = h2 – h1
t3 =



COP =

Qq0

L
Hệ số lạnh:
Lượng nhiệt tổng: Q0=(Gkk/3600). (I1 - I2)
m =

Q0
q0

Lưu lượng môi chất:
Lượng nhiệt thải ra ở dàn ngưng 1: Qk = m . qk
Công cấp vào chu trình : LS = (l . m)
Thể tích hút thực tế máy nén : Vtt = m . v

P a g e 13 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Hiệu suất chỉ thị:

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

ηi =

t0
+ 0,0025.t0
tk

Ni =

Ls
ηi

Công suất chỉ thị:
Công suất ma sát: Nms1=Vtt1 . pms1
Công suất hữu ích trên trục máy nén: Ne = Ni + Nms



Công suất điện tiêu thụ của máy nén:
Hiệu quả tách ẩm riêng phần:

SMER =


N el =

Ne
η td .η el

Wh
L

Giao diện chính của phần mềm
 Hình 2.4 hiển thị kết quả sau khi tính toán bằng phần mềm

Hình 2.4. Kết quả tính toán


Khi muốn đánh giá ảnh hưởng của bất kỳ yếu tố nào, ta có thể khóa
thông số đó lại và cho giá trị chạy trong khoảng phù hợp. Thực hiện
lệnh: Tables -> New Parametric Table, rồi chọn các giá trị muốn thể

P a g e 14 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

hiện trên bảng. Ví dụ, muốn đánh giá ảnh hưởng của độ ẩm không khí
thổi vào buồng sấy φ5 tới giá trị SMER và COP2, ta sẽ cho giá trị φ5
chạy (hình 2.5).



Hình 2.5. Ảnh hưởng của φ5 tới COP2 và SMER
Cách làm tương tự đối với các thông số ảnh hưởng khác mà ta muốn
đánh giá, để có độ chính xác cao hơn, ta nên chọn dải giá trị lớn hơn.

Hình 2.6. Chọn lựa dải giá trị lớn

P a g e 15 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học


Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

Để thiết kế giao diện chương trình, từ cửa sổ “Equations Window” ta
chọn “Diagram Window”.

Hình 2.7. Giao diện của chương trình
2.3.2. Tính toán SMER qua phần mềm và so sánh với giá trị thực nghiệm
a, Chế độ sấy 1


Ta có các thông số đầu vào, đầu ra như sau:



Trong đó:
 Vận tốc không khí thổi vào buồng sấy: vkk = 0,74 m/s
o
 Nhiệt độ của không khí thổi vào buồng sấy: t5 = 40 C
 Độ ẩm tương đối của không khí thổi vào buồng sấy: φ5 = 16 %

P a g e 16 | 24

Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

Lượng ẩm tách được trên một đơn vị điện năng tiêu thụ: SMER
[kga/kWh]
 Hệ số lạnh của chu trình 2: COP2
Theo thực nghiệm, ta có bảng thông số sau:




VẬT LIỆU SẤY (kg)
Tên

Bắt
đầu

1h

2h

Khay
0,35 0,29
0,26
1
Khay
0,4

0,34 0,275
2
Khay
0,4
0,34
0,3
3
Khay
0,4
0,31 0,265
4
Khay
0,4
0,35
0,31
5
1,31
G
0,995 0,775
5
0,78 0,713 0,631
w2
3
21
8
SME
0,190 0,130
R
33
86

 Công suất điện tiêu thụ:

3h

4h

5h

6h

7h

8h

0,23

0,21

0,2

0,19

0,18

0,18

0,265

0,235

0,205

0,2

0,19

0,19

0,26

0,23

0,21

0,205

0,205

0,2

0,22

0,2

0,19

0,185

0,185

0,18

0,28

0,255

0,21

0,195

0,19

0,19

0,62

0,495

0,38

0,34

0,315

0,305

0,539
75
0,092
19

0,423
53
0,074
35

0,249
07
0,068
4

0,160
72
0,023
79

0,094
11
0,014
87

0,064
41
0,005
95

Công suất điện tiêu thụ ( kWh )
∑Công suất của cả hệ thống (N1)

13,45

∑ Công suất của máy nén & quạt dàn ngưng (N2)

10,83

∑ Công suất của quạt gió tuần hoàn (N3)


1,65

Để tính toán SMER trong trường hợp này, ta lấy tổng lượng ẩm trung bình
tách được mỗi giờ rồi chia cho thời gian sấy. Ta có công thức sau:

P a g e 17 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

(Gi − Gi +1 )
N1
i=0
τ

SMER = ∑


Trong đó: G – Khối lượng vật liệu sấy.
N1 – Tổng công suất của cả hệ thống sau quá trình sấy.

τ – Thời gian sấy.



Từ đó, SMER tính được là:

(Gi − Gi +1 )
= 0.0751[ kga / kWh ]
13,45
i=0
8

SMER = ∑
b, Chế độ sấy 2





Trong đó:
 Vận tốc không khí thổi vào buồng sấy: vkk = 0,9 m/s
 Độ ẩm tương đối không khí sau dàn bay hơi 1: φ2 = 59 %
o
 Nhiệt độ của không khí thổi vào buồng sấy: t5 = 25 C
 Độ ẩm tương đối của không khí thổi vào buồng sấy: φ5 = 30 %
 Lượng ẩm tách được trên một đơn vị điện năng tiêu thụ: SMER
[kga/kWh]
 Hệ số lạnh của chu trình 2: COP2
Theo thực nghiệm, ta có bảng thông số sau:
VẬT LIỆU SẤY (kg)

Tên

Bắt
đầu

1h

Khay
0,35 0,315
1
Khay
0,25 0,22
2

2h

3h

4h

5h

6h

7h

8h

0,29

0,27

0,255

0,24

0,225

0,21

0,2

0,205

0,2

0,19

0,18

0,175

0,17

0,16
5

P a g e 18 | 24

Báo cáo nghiên cứu khoa học
Khay
0,35 0,31
0,28
3
Khay
0,35 0,315 0,29
4
Khay
0,35 0,305 0,28
5
1,01
G2
0,83
0,71
5
0,78 0,734 0,689
w2
3
63
78
SME
0,114 0,074
R
67
38
 Công suất điện tiêu thụ

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

0,26

0,24

0,23

0,22

0,21

0,20
5

0,27

0,255

0,235

0,22

0,2

0,19

0,26

0,24

0,225

0,21

0,2

0,19

0,625

0,545

0,475

0,415

0,355

0,647
59
0,052
69

0,595
86
0,049
59

0,536
31
0,043

39

0,469
27
0,037
19

0,379
56
0,037
19

0,31
5
0,30
078
0,02
479

Công suất điện tiêu thụ ( kWh )
∑Công suất của cả hệ thống

14,52

∑ Công suất của máy nén & quạt dàn ngưng

11,32

∑ Công suất của quạt gió tuần hoàn


2,12

Để tính toán SMER trong trường hợp này, ta lấy tổng lượng ẩm trung bình
tách được mỗi giờ rồi chia cho thời gian sấy. Ta có công thức sau:

(Gi − Gi +1 )
N1
i=0
τ

SMER = ∑


Trong đó: G – Khối lượng vật liệu sấy.
N1 – Tổng công suất của cả hệ thống sau quá trình sấy.
τ – Thời gian sấy.



Từ đó, SMER tính được là:

(Gi − Gi +1 )
= 0.0542 [ kga / kWh ]
14,52
i=0
8

SMER = ∑
c, Chế độ sấy 3

P a g e 19 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

•



Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

Ta có các thông số đầu vào như sau:
 Vận tốc không khí thổi vào buồng sấy: vkk = 0,9 m/s
o
 Nhiệt độ của không khí thổi vào buồng sấy: t5 = 25 C
 Độ ẩm tương đối của không khí thổi vào buồng sấy: φ5 = 30 %
 Lượng ẩm tách được trên một đơn vị điện năng tiêu thụ: SMER
[kga/kWh]
 Hệ số lạnh của chu trình 2: COP2
Theo thực nghiệm, ta có bảng thông số sau:
VẬT LIỆU SẤY (kg)

Tên

Bắt
đầu

1h

Khay
0,44 0,39
1
Khay
0,44 0,395
2
Khay
0,44 0,4
3
0,98
G2
0,85
5
0,71 0,668
w2
4
58
SME
0,075
R
79


2h

3h

4h

5h

6h

7h

8

0,36

0,34

0,31

0,29

0,275

0,26

0

0,355

0,34

0,31

0,29

0,275

0,26

0

0,36

0,33

0,31

0,29

0,275

0,26

0

0,74

0,675

0,595

0,535

0,49

0,445 0

0,619
31
0,061
75

0,582
65
0,036
49

0,526
54
0,044
91

0,473
44
0,033
68

0,425
08
0,025
26

0,366
94
0
0,025

0
26

Công suất điện tiêu thụ:
Công suất điện tiêu thụ ( kWh )
∑Công suất của cả hệ thống (

14,25

P a g e 20 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

∑ Công suất của máy nén + Quạt dàn ngưng
∑ Công suất của quạt gió tuần hoàn


11,41
1,88

Để tính toán SMER trong trường hợp này, ta lấy tổng lượng ẩm trung bình
tách được mỗi giờ rồi chia cho thời gian sấy. Ta có công thức sau:

(Gi − Gi +1 )
N1
i=0
τ

SMER = ∑


Trong đó: G – Khối lượng vật liệu sấy.
N1 – Tổng công suất của cả hệ thống sau quá trình sấy.
τ – Thời gian sấy.



Từ đó, SMER tính được là:

(Gi − Gi +1 )
= 0.040 [ kga / kWh ]
14,25
i=0
8

SMER = ∑

d, So sánh kết quả giữa lý thuyết và thực tế


Từ các kết quả tính toán ở 3 trường hợp trên, ta có bảng và đồ thị sau:
Bảng 2.2. SMER tính toán thực tế và lý thuyết
Chế độ 1 (40
độ C và 0,74
m/s)

Chế độ 2 (25

độ C và 0,9
m/s)

Chế độ 3 (40
độ C và 0,9
m/s)

SMER tính toán
thực tế

0,0751

0,0542

0,040

SMER tính toán lý
thuyết

0,080

0,0561

0,0427

Sai số

6,13%

3,39%

6,32%

P a g e 21 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

Hình 2.4. Đồ thị so sánh giữa SMER thực tế và lý thuyết




Nhìn vào bảng và đồ thị trên, ta thấy sai số của SMER khi tính toán trên lý
thuyết và thực tế là rất nhỏ (sai số nhỏ nhất là 3,39% và lớn nhất chỉ là
6,32%) nên mức độ chính xác, tin cậy của phần mềm khá cao.
Sai số do nhiều nguyên nhân tác động, tuy nhiên các tố chính bao gồm:
 Các tổn thất nhiệt ra bên ngoài.
 Sai số của các thiết bị đo.

e, Ảnh hưởng của các yếu tố tới khả năng tách ẩm khi có vi sóng
+/ Ta có bảng độ giảm khối lượng của vật liệu sấy sau 6h:



45 độ C

40 độ C

35 độ C

Trung bình
theo tốc độ

0,9 m/s

67,8 %

78,0 %

70,4 %

72,1 %

0,74 m/s

80,5 %

78,6 %

71,6 %

76,9 %

0,575 m/s

71,3 %

81,5 %

72,4 %

75,1 %

Trung bình
73,2 % 79,4 %
theo nhiệt độ
Ảnh hưởng của nhiệt độ

71,4 %

+/ Nhìn vào 3 đồ thị trên ta thấy khối lượng của vật liệu sấy giảm mạnh trong 6
tiếng đầu tiên, 2 tiếng sau giảm chậm không đáng kể.
+/ Từ kết quả trên, ta thấy nhiệt độ của tác nhân sấy ảnh hưởng rất lớn tới quá
trình sấy. Khi sấy ở nhiệt độ 40 oC, khối lượng vật liệu sấy giảm nhanh và ổn
định hơn so với ở nhiệt độ 35 oC và 45 oC. Cụ thể là sau 6 tiếng, ở chế độ sấy 40

P a g e 22 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

o

C thì khối lượng vật liệu sấy đã giảm được 79,4%, ở 45 oC là 73,2%, còn ở 35
o

C là 71,4 %.
 Ảnh hưởng của tốc độ tác nhân sấy

+/ Ở nhiệt độ 45 oC thì với tốc độ của tác nhân sấy là 0,74 m/s cho hiệu quả tách
ẩm cao nhất, khối lượng vật liệu sấy sau 6h giảm được 80,5 % mà công suất vi
sóng lại nhỏ nhất (3,67 kW)
+/ Ở nhiệt độ 40 oC và 35 oC thì với tốc độ của tác nhân sấy là 0,575 m/s cho
hiệu quả tách ẩm cao nhất (khối lượng vật liệu sấy giảm 81,5% và 72,4%) nhưng
công suất phát vi sóng lại không nhỏ nhất.
+/ Nếu tính lượng ẩm tách được trung bình thì ở chế độ 0,74 m/s vẫn cho hiệu
quả là tốt nhất (khối lượng vật liệu sấy sau 6h giảm được 76,9%)
 Hiệu quả tách ẩm của quá trình sấy khi có tác động của vi sóng được thể
hiện qua bảng 2.3:
Bảng 2.3. Hiệu quả tách ẩm của quá trình sấy khi có tác động của vi sóng
v
Công suất vi sóng
SMER (kga/kWh)
(m/s)
(kW)
0,575
0,0875
6,24
35
0,74
0,0961
2,87
0,9
0,0775
3,14
0,575

0,0934
4,06
40
0,74
0,1077
3,22
0,9
0,0817
4,06
0,575
0,1220
4,21
45
0,74
0,1012
3,67
0,9
0,0943
4,58
+/ Nhìn vào bảng trên, ta thấy hiệu quả tách ẩm cao nhất ở chế độ (40 oC; 0,74
t

P a g e 23 | 24


Báo cáo nghiên cứu khoa học

Sinh viên thực hiện: Vũ Hữu Quý

m/s) và (45oC; 0,575 m/s), trong đó ở chế độ (45 oC; 0,575 m/s) có hiệu quả tách

ẩm cao hơn, nhưng công suất vi sóng lại lớn hơn so với chế độ (40oC; 0,74 m/s).
+/ Với cùng một công suất vi sóng tác dụng, chế độ (40 oC; 0,575 m/s) có hiệu
quả tách ẩm cao hơn so với chế độ (40 oC; 0,9 m/s). Điều này cho thấy, nếu sấy ở
nhiệt độ 40oC thì tốc độ của tác nhân sấy nên < 0,9 m/s.
+/ Khi sấy ở 45oC, ta thấy giá trị SMER tỉ lệ nghịch với vận tốc tác nhân sấy, vận
tốc càng nhỏ thì hiệu quả tách ẩm càng cao. Công suất vi sóng ở chế độ 0,9 m/s
rõ ràng lớn hơn ở 0,74 m/s và 0,575 m/s nhưng vẫn cho hiệu quả tách ẩm kém
hơn 2 chế độ này. Vậy nên, ở nhiệt độ 45 oC, ta nên chọn tốc độ tác nhân sấy
thấp.
+/ Khi sấy ở nhiệt độ 35 oC và 40 oC, ta thấy tốc độ phù hợp nhất, đem lại hiệu
quả tách ẩm cao nhất là ở 0,74 m/s, mặc dù với công suất vi sóng tác dụng là nhỏ
nhất.
+/ Với tốc độ của tác nhân sấy là 0,74 m/s thì nhiệt độ 40 oC đem lại hiệu quả
tách ẩm cao nhất. Còn với nhiệt độ 35 oC thì thấp hơn hẳn, tuy là công suất vi
sóng tác dụng có nhỏ hơn so với chế độ 45 oC và 40oC một chút nhưng không
đáng kể.
3. Kết luận
Qua việc tính toán trên phần mềm, ta có thể thấy được chi tiết mức độ ảnh
hưởng của các yếu tố đến hiệu quả tách ẩm riêng phần, hệ số lạnh, mức tiêu hao
năng lượng,...Từ đó có thể hỗ trợ việc tìm ra chế độ sấy tối ưu dễ dàng hơn mà
không cần phải mất thời gian, công sức làm nhiều lần thí nghiệm khác nhau khi
các thông số đầu vào thay đổi. Việc tìm ra, đánh giá mức độ ảnh hưởng của các
yếu tố cũng là công cụ hỗ trợ đắc lực trong việc tính toán, thiết kế hệ thống sấy.
Ngoài ra, với những chức năng, ưu điểm của phần mềm này, ta sẽ tiết giảm
được chi phí vận hành thí nghiệm, chi phí lắp đặt thiết bị, qua đó góp phần tiết
kiệm năng lượng đáng kể và bảo vệ môi trường.

P a g e 24 | 24