Tính toán, thiết kế hệ thống sấy năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt

i

LỜI CẢM ƠN
Sau bốn năm học tại trường Đại học Nha Trang, đến nay tôi đang ở trong giai
đoạn cuối của chương trình đào tạo tại trường và hoàn thành đồ án tốt nghiệp đại
học.
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp, tôi đã nhận được sự giúp đỡ vô cùng quý giá
từ Ban chủ nhiệm Khoa Cơ Khí đã tạo điều kiện hết sức thuận lợi, cùng sự chỉ
bảo, sẵn sàng giúp đỡ của các Thầy Cô trong bộ môn Kỹ thuật Nhiệt – Lạnh.
Tôi xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Nha Trang, Ban
chủ nhiệm Khoa Cơ Khí cùng toàn thể các Thầy, Cô giáo đã tham gia giảng dạy
tôi trong suốt bốn năm qua.
Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, lời biết ơn sâu sắc tới Thầy Trần Đại Tiến
đã trực tiếp hướng dẫn, tận tình chỉ bảo, đã tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi
hoàn thành đồ án tốt nghiệp này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn tới Cha, Mẹ, các Anh Chị, và tất cả những người bạn
đã giúp tôi suốt chặng đường học tập cũng như suốt thời gian làm đề tài tốt
nghiệp, đã cho tôi động lực để hoàn thành khóa học và đề tài tốt nghiệp của
mình.
Tôi xin chân thành cảm ơn !
Nha Trang, tháng 6 năm 2016
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Mạnh Thảo


ii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... i
LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................................ 1

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI, BƠM NHIỆT, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ ..................................... 2
1. Tổng quan về sấy ............................................................................................... 2
1.1. Quá trình sấy ................................................................................................... 2
1.1.1. Khái niệm .............................................................................................. 2
1.1.2. Mục đích ................................................................................................ 2
1.2. Đặc điểm quá trình sấy.................................................................................... 2
1.2.1. Giai đoạn làm nóng ............................................................................... 3
1.2.2. Giai đoạn sấy tốc độ không đổi ............................................................. 3
1.2.3. Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần .............................................................. 3
1.3. Khuếch tán nước trong nguyên liệu ................................................................ 4
1.3.1 Sự khuếch tán của nước trong nguyên liệu .............................................. 4
1.3.2. Khuếch tán ngoại ..................................................................................... 5
1.3.3. Khuếch tán nội......................................................................................... 6
1.3.4 Mối quan hệ giữa khuếch tán ngoại và khuếch tán nội. ........................... 6
1.4 Một số nhân tố ảnh hưởng tốc độ sấy.............................................................. 7
1.4.1

Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí. ...................................................... 7

1.4.2 Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động không khí. ....................................... 8
1.4.3 Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của không khí. ..................................... 8
1.4.4 Kích thước của nguyên liệu: .................................................................... 9
1.5 Những biến đổi của nguyên liệu trong quá trình làm khô. ............................... 9
1.5.1 Những biến đổi cảm quan:........................................................................ 9
1.5.2 Những biến đổi về hóa học:.................................................................... 10
2. Sấy năng lượng mặt trời ................................................................................... 11
2.1. Sơ lược về mặt trời ........................................................................................ 11

iii

2.2. Ứng dụng vào lĩnh vực sấy ........................................................................... 14
3. Sấy bằng bơm nhiệt .......................................................................................... 19
3.1. Sợ lược về hệ thống bơm nhiệt.................................................................... 19
3.2. Lịch sử hình thành và phát triển của bơm nhiệt .......................................... 20
3.3. Các công trình ứng dụng bơm nhiệt trong sấy ............................................ 21
3.3.1. Các tác giả trong nước......................................................................... 21
3.3.2. Các tác giả nước ngoài ........................................................................ 22
4. Chọn phương án thiết kế .................................................................................. 26
4.1. Sấy bơm nhiệt ................................................................................................ 26
4.2. Sấy bức xạ mặt trời kết hợp đối lưu .............................................................. 28
4.3. Sấy năng lượng mặt trời kết hợp với tách ẩm từ dàn lạnh ............................ 29
4.4. Sấy năng lượng bức xạ mặt trời kết hợp bơm nhiệt ...................................... 31
CHƯƠNG II TÍNH THIẾT KẾ VÀ CHỌN CÁC THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG
SẤY ...................................................................................................................... 33
1. Tính kích thước hệ thống sấy ........................................................................... 33
2. Tính toán nhiệt quá trình sấy............................................................................ 34
2.1. Đồ thị sấy ..................................................................................................... 35
2.2. Xác định các điểm nút trên đồ thị I-d quá trình sấy .................................... 36
2.3. Tính thời gian sấy ........................................................................................ 37
2.4. Tính toán nhiệt quá trình ............................................................................. 38
2.4.1. Xác định lượng ẩm bốc hơi ................................................................. 38
2.4.2. Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm .................... 39
2.4.3. Lượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm ......................................... 39
2.4.4. Năng suất của quạt gió:( Vq) ............................................................... 39
2.4.5. Nhiệt lượng bức xạ mặt trời ................................................................ 40
2.4.6. Tổn thất nhiệt ...................................................................................... 41
2.4.7. Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp cho quá trình sấy để làm bay hơi 1 kg
ẩm

............................................................................................................. 41

3. Tính và chọn các thiết bị cho bơm nhiệt .......................................................... 42


iv

3.1. Sơ đồ và chu trình của bơm nhiệt .................................................................. 42
3.2. Chọn môi chất lạnh ........................................................................................ 44
3.3. Tính chọn công suất máy nén lạnh cho bơm nhiệt ........................................ 44
3.4. Tính chọn dàn ngưng ..................................................................................... 47
3.5. Tính chọn dàn bay hơi ................................................................................... 54
3.6. Tính và điều chỉnh chiều dài ống mao .......................................................... 60
3.7. Chọn quạt cho hệ thống................................................................................ 61
3.8. Chọn đường ống dẫn môi chất ...................................................................... 62
CHƯƠNG 3 LẮP ĐẶT, CHẠY THỬ VÀ ĐIỀU CHỈNH CÁC THÔNG SỐ KỸ
THUẬT ................................................................................................................ 64
1. Chuẩn bị vật tư, thiết bị và lắp đặt ................................................................... 64
1.1 Chuẩn bị vật tư, thiết bị ................................................................................. 64
1.2 Tiến hành lăp đặt ........................................................................................... 66
CHƯƠNG 4 TRANG BỊ TỰ ĐỘNG HÓA, VẬN HÀNH HỆ THỐNG SẤY ... 80
1. Mạch động lực ................................................................................................. 80
2. Hệ thống tự động hóa....................................................................................... 80
3. Vận hành hệ thống ........................................................................................... 83
3.1. Sấy ở chế độ bức xạ mặt trời kết hợp bơm nhiệt ........................................... 83
3.2. Sấy bức xạ mặt trời kết hợp đối lưu .............................................................. 83
3.3. Sấy bức xạ mặt trời kết hợp làm lạnh tách ẩm .............................................. 84
3.4. Sấy bằng bơm nhiệt ....................................................................................... 84
CHƯƠNG 5 THỬ NGHIỆM MỘT SỐ SẢN PHẨM SẤY ................................ 85

1. Xây dựng đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy ..................................... 87
2. Chất lượng cảm quan ....................................................................................... 89
3. Tỉ lệ hút ẩm ...................................................................................................... 92
4. Mức tiêu hao năng lượng cho 1 kg sản phẩm sấy............................................ 92
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................ 95
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................... 96


v

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Máy sấy cà phê bằng năng lương mặt trời ............................................ 15
Hình 1.2 Máy sấy thóc năng lượng mặt trời ........................................................ 16
Hình 1.3 Máy sấy gỗ bằng năng lượng mặt trời .................................................. 16
Hình 1.4 Nguyên lí làm việc của hệ thống sấy năng lượng mặt trời đơn giản .... 17
Hình 1.5 Máy sấy năng lượng mặt trời kết hợp đối lưu để sấy thủy sản ............. 18
Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt đơn giản ...................................................... 19
Hình 1.7 Sơ đồ thiết kế dự kiến ........................................................................... 26
Hình 1.8 Đồ thị I –d sấy bơm nhiệt ...................................................................... 27
Hình 1.9 Sơ đồ nguyên lí hệ thống sấy bơm nhiệt ............................................... 27
Hình 1.10 Đồ thị I – d sấy bức xạ kết hợp đối lưu ............................................... 28
Hình 1.11 Sơ đồ nguyên lý sấy bức xạ kết hợp đối lưu ....................................... 29
Hình 1.12 Đồ thị I – d sấy bức xạ mặt trời kết hợp tách ẩm dàn lạnh ................. 30
Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý sấy bức xạ mặt trời kết hợp tách ẩm dàn lạnh ......... 30
Hình 1.14 Đồ thị I – d sấy bức xạ mặt trời kết hợp bơm nhiệt ............................ 31
Hình 1.15 Sơ đồ nguyên lý sấy bức xạ mặt trời kết hợp bơm nhiệt .................... 32
Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống sấy bức xạ mặt trời kết hợp bơm nhiệt ........................ 34
Hình 2.2 Đồ thị biểu diễn quá trình sấy ............................................................... 35
Hình 2. 3 Sơ đồ hệ thống bơm nhiệt .................................................................... 42
Hình 2.4 Chu trình làm việc bơm nhiệt................................................................ 43

Hình 2.5 Kích thước dàn ngưng ........................................................................... 53
Hình 2.6 Kích thước dàn lạnh .............................................................................. 60
Hình 3.1 Mặt chiếu bằng tầng 1 ........................................................................... 67
Hình 3.2 Mặt chiếu bằng tầng 2 và 3 ................................................................... 67
Hình 3.3 Mặt chiếu đứng của khung đỡ ............................................................... 68
Hình 3.4 Bố trí thiết bị trên tầng 1 ....................................................................... 69
Hình 3.5 Mặt cắt bằng của cụm dàn lạnh, dành nóng và quạt ............................. 70
Hình 3.6 Hình chiếu mô phỏng khối thiết bị........................................................ 70
Hình 3.7 Mặt bằng bố trí thiết bị tầng 2 ............................................................... 71


vi

Hình 3.8 Sơ đồ hệ thống để đi đường gas ............................................................ 72
Hình 3.9 Kết cấu bao che của thiết bị .................................................................. 74
Hình 3.10 Mặt trước của dàn lạnh sau khi lắp tấm chắn...................................... 75
Hình 3.11 Cố định kính bằng bát V ..................................................................... 76
Hình 3.11 Tấm đỡ của giá sấy.............................................................................. 77
Hình 3.12 Giá sấy sản phẩm ................................................................................ 77
Hình 3.13 Bố trí thiết bị trên tủ điện .................................................................... 78
Hình 3.14 Hệ thống sấy thực tế ............................................................................ 79
Hình 3.15 Hệ thống sấy thực tế ............................................................................ 79
Hình 4.1 Mạch điện động lực ............................................................................... 80
Hình 4.2 Mạch điện điều khiển ............................................................................ 81
Hình 5.1 Đồ thị đường cong sấy của các chế độ sấy ........................................... 88
Hình 5.2 Đồ thị đường cong tốc độ sấy của các chế độ sấy ................................ 88
Hình 5.3 Mực sấy bức xạ kết hợp bơm nhiệt ....................................................... 89
Hình 5.4 Mực sấy bằng bơm nhiệt ....................................................................... 90
Hình 5.5 Mực sấy bức xạ kết hợp đối lưu ............................................................ 90
Hình 5.6 Mực phơi nắng ...................................................................................... 90

Hình 5.7 Mực sấy bức xạ kết hợp tách ẩm từ dàn lạnh........................................ 91
Hình 5.3 Đồ thị biểu diễn chất lượng cảm quan của các sản phẩm sấy ............... 91
Hình 5.4 Đồ thị biểu diễn tỉ lệ hút ẩm của các sản phẩm sấy .............................. 92
Hình 5.5 Đồ thị biểu diễn chi phí năng lượng cho 1 kg sản phẩm....................... 93


vii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1 Các thông số trên đồ thị I-d ..................................................................... 36
Bảng 2 Kết quả tính toán thời gian sấy ................................................................ 38
Bảng 3 Các thông số trạng thái trên đồ thị logP-i ................................................ 46
Bảng 4 Vật tư chế tạo thiết bị............................................................................... 65
Bảng 5 Dụng cụ chế tạo thiết bị ........................................................................... 65
Bảng 6 Thiết bị điện ............................................................................................. 66
Bảng 7 Khối lượng sắt vuông .............................................................................. 66
Bảng 8 Giá trị dòng điện ở các chế độ sấy ........................................................... 74
Bảng 9.1 Kết quả sấy thực nghiệm của Mực ....................................................... 85
Bảng 9.2 Kết quả sấy thực nghiệm của mực ........................................................ 86
Bảng 9.3 Kết quả sấy thực nghiệm ...................................................................... 87
Bảng 10 Mức tiêu hao năng lượng theo từng phương pháp................................. 93
Bảng 11 Kết quả sấy thực nghiệm ....................................................................... 94


1

LỜI MỞ ĐẦU
Việt Nam là nước có sản lượng sản phẩm trong lĩnh vực nông, lâm, ngư nghiệp
lớn, tuy nhiên chủ yếu ở dạng thô chưa chế biến nên thời gian bảo quản thấp, ảnh
hưởng đến chất lượng và giá trị của sản phẩm.

Hiện nay cũng có rất nhiều phương pháp để bảo quản và sấy là một trong số đó.
Trong sấy cũng có nhiều phương pháp khác nhau tùy thuộc vào từng loại sản
phẩm và chất lượng theo yêu cầu. Nhưng hiện nay vấn đề năng lượng và giá
thành là phần rất qua trọng trong thời buổi hội nhập của Việt Nam trên trường
quốc tế.
Nước ta cũng được biết đến là quốc gia dồi dào về nguồn năng lượng bức xạ mặt
trời với số giờ nắng trung bình hằng năm là trên 3000 giờ. Từ xa xưa ông cha ta
đã biết cách tận dụng nguồn năng lượng vô tận đó để sấy có sản phẩm nông
nghiệp và thủy sản, tuy nhiên hiệu quả lại không cao do phụ thuộc vào thời tiết,
không khống chế được nhiệt độ…. Do vậy chất lượng sản phẩm cũng giảm đi
khá nhiều mà chi phí lao động tăng.
Sấy bằng bơm nhiệt là phương pháp khá phổ biến hiện nay vì chi phí thấp mà
chất lượng sản phẩm thu được khá tốt.
Vì vậy, sự kết hợp của phương pháp sấy bằng năng lượng bức xạ mặt trời và bơm
nhiệt có thể là giải pháp để giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm
và tận dụng được nguồn năng lượng sạch vô tận.
Đề tài “ tính toán thiết kế hệ thống sấy năng lượng mặt trời kết hợp bơm nhiệt”
nhằm hiện thực hóa phương pháp trên!
Dù đã rất cố gắng nhưng đề tài vẫn không tránh khỏi sai sót mong thầy cô thông
cảm. Em xin cảm ơn!


2

CHƯƠNG I
TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP SẤY NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI, BƠM NHIỆT, CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
1. Tổng quan về sấy
1.1.

Quá trình sấy

1.1.1. Khái niệm
Sấy là một phương pháp bảo quản thực phẩm đơn giản, an toàn và dễ
dàng. Sấy làm giảm độ ẩm của thực phẩm đến mức cần thiết do đó vi khuẩn,
nấm mốc và nấm men bị ức chế hoặc không phát triển và hoạt động được, giảm
hoạt động các enzyme, giảm kích thước và trọng lượng của sản phẩm.
Quá trình sấy là quá trình làm khô các vật thể, các vật liệu, các sản phẩm
bằng phương pháp bay hơi nước. Như vậy, quá trình sấy khô một vật thể diễn
biến như sau:
+ Nung nóng vật liệu từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ bầu ướt tương ứng
với môi trường không khí xung quanh.
+ Vận chuyển ẩm từ các lớp bên trong ra bên ngoài.
+ Vận chuyển ẩm từ lớp bề mặt vật liệu ra môi trường bên ngoài.
1.1.2. Mục đích
Sấy nhằm làm giảm bớt lượng nước có trong nguyên liệu qua đó ức chế
được hoạt động của enzyme và vi sinh vật, kéo dài thời gian bảo quản. Ngoài ra
sấy để làm tăng hàm lượng chất khô, chất dinh dưỡng, tăng độ dẻo dai cho sản
phẩm đồng thời giúp cho quá trình chế biến cũng như vận chuyển được dễ dàng.
1.2.

Đặc điểm quá trình sấy

Đặc điểm của quá trình sấy đối với vật thể có độ ẩm tương đối cao, nhiệt
độ sấy và tốc độ sấy chuyển động của không khí không quá lớn xảy ra theo ba


3

giai đoạn đó là giai đoạn làm nóng vật, giai đoạn sấy tốc độ không đổi, giai

đoạn tốc độ sấy giảm dần. Đối với các trường hợp sấy với điều kiện khác thì quá
trình sấy cũng xảy ra ba giai đoạn nhưng các giai đoạn có thể đan xen khó phân
biệt hơn. Các giai đoạn sấy như sau:
1.2.1. Giai đoạn làm nóng
Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không
khí nóng cho tới khi nhiệt độ vật đạt được bằng nhiệt độ kế ước. Trong quá trình
sấy này toàn bộ vật được gia nhiệt. Ẩm lỏng trong vật được gia nhiệt cho đến
khi đạt được nhiệt độ sôi ứng với phân áp suất hơi nước trong môi trường không
khí trong buồng sấy. Do được làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm chút do bay
hơi ẩm còn nhiệt độ của vật thì tăng dần cho đến khi bằng nhiệt độ kế ước. Tuy
vậy, sự tăng nhiệt độ trong quá trình xảy ra không đều ở phần ngoài và phần
trong vật. Vùng trong vật đạt đến nhiệt độ kế ước chậm hơn. Đối với vật dễ sấy
thì giai đoạn này làm nóng vật xảy ra nhanh
1.2.2. Giai đoạn sấy tốc độ không đổi
Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ kế ước. Tiếp tục
cung cấp nhiệt, ẩm trong vật sẽ hoá hơi còn nhiệt độ của vật giữ không đổi nên
nhiệt cung cấp chỉ để làm hóa hơi. Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật,
ẩm lỏng ở bên trong vật sẽ truyền ra ngoài bề mặt vật để hóa hơi. Do nhiệt độ
không khí nóng không đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi nên chênh lệch nhiệt độ
giữa vật và môi trường cũng không đổi. Điều này làm cho tốc độ giảm của độ
chứa ẩm vật theo thời gian cũng không đổi, có nghĩa là tốc độ sấy không đổi.
1.2.3. Giai đoạn tốc độ sấy giảm dần
Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi ẩm tự do đã bay hơi hết, còn lại
trong vật là ẩm liên kết. Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn ẩm tự do và
càng tăng lên khi độ ẩm của vật càng nhỏ. Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai
đoạn này nhỏ hơn giai đoạn sấy tốc độ không đổi có nghĩa là tốc độ sấy trong
giai đoạn này nhỏ hơn và càng giảm đi theo thời gian sấy. Quá trình sấy càng


4

tiếp diễn, độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độ ẩm của
vật bằng độ ẩm cân bằng với điều kiện môi trường không khí ẩm trong buồng
sấy thì quá trình thoát ẩm của vật ngưng lại, có nghĩa là tốc độ sấy bằng không.
1.3.

Khuếch tán nước trong nguyên liệu
1.3.1 Sự khuếch tán của nước trong nguyên liệu

Dưới sự ảnh hưởng của các nhân tố lý học như: hấp thụ nhiệt, khuếch tán
bay hơi…làm nước trong vật liệu tách ra ngoài, đây là một quá trình rất phức
tạp gọi là làm khô. Nếu quá trình cung cấp nhiệt ngừng lại mà vẫn muốn duy trì
quá trình sấy là quá trình làm khô vật liệu phải được cung cấp một lượng nhiệt
nhất định để vật liệu có nhiệt độ cần thiết.
Nhiệt cung cấp cho vật liệu Q được đưa tới bằng ba phương thức: bức xạ truyền
dẫn và đối lưu. Sự cân bằng nhiệt khi làm khô được biểu thị:
Q = Q1 + Q2 + Q3
Trong đó:
Q: là nhiệt lượng cung cấp cho nguyên liệu
Q1: là nhiệt lượng làm cho các phần tử hơi nước tách ra khỏi
nguyên liệu
Q2: là nhiệt lương cung cấp để cắt đứt mối liên kết giữa nước và
đường trong
nguyên liệu
Q3: là nhiệt lượng để làm khô các tổ chức tế bào.
Sau khi sấy khô còn phải tính đến nhiệt lượng làm nóng dụng cụ thiết bị
Q4

và

nhiệt

lượng

hao

phí

ra

môi

trường

xung

quanh

Q 5.

Trong quá trình làm khô nước ở trong vật liệu khuếch tán chuyển dần ra bề mặt
nguyên liệu và môi trường xung quanh, làm cho không khí trong môi trường
xung quanh ẩm lên, nếu không khí ẩm đó không được phân tán thì cho đến một


5

lúc nào đó quá trình sấy khô sẽ dừng lại.
Khi nhiệt lượng cung cấp đủ cho nguyên liệu thì nước sẽ thoát ra khỏi
nguyên liệu bằng hai quá trình: khuếch tán ngoại và khuếch tán nội.

1.3.2. Khuếch tán ngoại
Sự chuyển động của hơi nước trên bề mặt nguyên liệu vào không khí
gọi là khuếch tán ngoại. Lượng nước bay hơi do khuếch tán ngoại thực hiện
được dưới điều kiện: áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt nguyên liệu E lớn
hơn áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí e, sự chênh lệch áp suất
đó là:
∆P = E – e
Lượng nước bay hơi đi W tỉ lệ thuận với ∆P, với bề mặt bay hơi F và
thời gian
làm khô là:
dW = B(E-e)F.dt
và tốc độ bay hơi nước được biểu thị như sau:
𝑑𝑤
= 𝐵𝐹(𝐸 − 𝑒)
𝑑𝑡
Trong đó:
W: là lượng nước bay hơi (kg)
B: là hệ số bay hơi nước, nó phụ thuộc vào tốc độ gió, hướng gió và
trạng thái bề mặt nguyên liệu
E: là áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt nguyên liệu
(mmHg) e: là áp suất riêng phần của hơi nước trong
không khí (mmHg) F: là diện tích bay hơi nước (m2)
t: là thời gian bay hơi (giờ)


6

1.3.3. Khuếch tán nội
Do sự chênh lệch độ ẩm giữa các lớp trong nguyên liệu tạo nên sự chuyển
động của hàm ẩm ở trong nguyên liệu từ lớp khác để tạo sự cân bằng ẩm trong

bản thân nguyên liệu. Động lực của khuếch tán nội là sự chênh lệch về độ ẩm
giữa các lớp trong và lớp ngoài, nếu sự chênh lệch độ ẩm càng lớn tức là gradian
độ ẩm càng lớn thì tốc độ khuếch tán nội xảy ra càng nhanh. Ta có thể biểu thị
tốc độ khuếch tán nội bằng phương trình:
𝑑𝑤
𝑑𝑐
= 𝐾𝐹 ( )
𝑑𝑡
𝑑𝑥

Trong đó
W: lượng nước khuếch tán ra (kg)
t: thời gian khuếch tán (giờ)
𝑑𝑐
𝑑𝑥

: Gradien độ ẩm

K: hệ số khuếch tán
F: diện tích bề mặt khuếch tán(m2)
1.3.4 Mối quan hệ giữa khuếch tán ngoại và khuếch tán nội.
Khuếch tán ngoại và khuếch tán nội có mối liên quan mật thiết với nhau,
tức là khuếch tán ngoại có được tiến hành thì khuếch tán nội mới được tiếp tục
và như thế độ ẩm của nguyên liệu mới được giảm dần.
Trong quá trình sấy nếu khuếch tán nội lớn hơn khuếch tán ngoại thì quá
trình bay hơi sẽ nhanh, nhưng điều này rất ít gặp trong quá trình sấy. Thông
thường, khuếch tán nội của nguyên liệu thường nhỏ hơn tốc độ bay hơi trên bề
mặt. Khi khuếch tán nội nhỏ hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ gián
đoạn vì thế điều chỉnh khuếch tán nội sao cho phù hợp với khuếch tán ngoại là
vấn đề rất quan trọng trong quá trình sấy.

7

Trong quá trình làm khô, ở giai đoạn đầu lượng nước trong nguyên liệu
nhiều, sự chênh lệch độ ẩm lớn, do đó khuếch tán nội thường phù hợp với
khuếch tán ngoại nên tốc độ làm khô tương đối nhanh. Nhưng, ở giai đoạn cuối
thì lượng nước còn lại trong nguyên liệu ít, tốc độ bay hơi bề mặt nhanh mà tốc
độ khuếch tán nội chậm lại tạo thành một màng cứng làm ảnh hưởng rất lớn cho
quá trình khuếch tán nội. Vì vậy làm ảnh hưởng đến quá trình làm khô nguyên
liệu.
Sự dịch chuyển của nước trong quá trình làm khô trước hết là nước tự do
sau đó mới đến nước liên kết. Trong suốt quá trình làm khô, lượng nước tự do
luôn giảm xuống. Lượng nước trong nguyên liệu dịch chuyển dưới hai hình thức
là thể lỏng và thể hơi do phương thức kết hợp của nước trong nguyên liệu quyết
định.

1.4 Một số nhân tố ảnh hưởng tốc độ sấy.
1.4.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ không khí.
Trong các điều kiện khác nhau không đổi như độ ẩm không khí, tốc độ
gió..,việc nâng cao nhiệt độ sẽ làm tăng nhanh tốc độ làm khô do lượng nước
trong nguyên liệu giảm xuống càng nhiều. Nhưng tăng nhiệt độ cũng ở giới hạn
cho phép vì nhiệt độ làm khô cao sẽ làm ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản
phẩm, dễ làm cho nguyên liệu bị chín và gây nên sự tạo màng cứng ở lớp bề
ngoài. Nhưng với nhiệt độ làm khô quá thấp, dưới giới hạn cho phép thì quá
trình làm khô sẽ chậm lại dẫn đến sự thối rữa, huỷ hoại nguyên liệu. Nhiệt độ
sấy thích hợp được xác định phụ thuộc vào nguyên liệu béo hay gầy, kết cấu tổ
chức của cơ thịt và đối với các nhân tố khác. Đối với nguyên liệu gầy người ta
làm khô ở nhiệt độ cao hơn nguyên liệu béo. Khi sấy ở những nhiệt độ khác
nhau thì nguyên liệu có những biến đổi khác nhua ví dụ: nhiệt độ sản phẩm

trong quá trình sấy cao hơn 600C thì protein bị

biến tính, nếu trên 900C thì

fructose bắt đầu caramen hóa các phản ứng tạo ra melanoidin tạo polyme cao
phân tử có chứa N và không chứa N, có màu và mùi thơm xảy ra mạnh mẽ. Nếu


8

nhiệt độ cao hơn nữa thì nguyên liệu có thể bị cháy làm mất giá trị dinh dưỡng
và mất giá trị cảm quan của sản phẩm.
Quá trình làm khô tiến triển, sự cân bằng của khuếch tán nội và khuếch
tán ngoại bị phá vỡ, tốc độ khuếch tán ngoại lớn nhưng tốc độ khuếch tán nội thì
chậm lại dẫn đến hiện tượng tạo vỏ cứng ảnh hưởng đến quá trình làm khô
1.4.2 Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động không khí.
Tốc độ chuyển động của không khí có ảnh hưởng lớn đến quá trình sấy,
tốc độ gió quá lớn hoặc quá nhỏ đều không có lợi cho quá trình sấy. Vì vậy,
tốc độ chuyển động của không khí quá lớn khó giữ nhiệt lượng trên nguyên
liệu để cân bằng quá trình sấy, còn tốc độ quá nhỏ sẽ làm cho quá trình sấy
chậm lại, dẫn đến sự hư hòn sản phẩm, mặt ngoài sản phẩm sẽ lên mốc gây
thối rữa tạo thành lớp dịch nhầy có mùi, vị khó chịu. Vì vậy, cần phải có một
tốc độ gió thích hợp, nhất là giai đoạn đầu của quá trình làm khô.
Hướng gió cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm khô, khi hướng
gió song song với bề mặt nguyên liệu thì tốc độ làm khô rất nhanh. Nếu
hướng gió thổi tới nguyên liệu với góc 450 thì tốc độ làm khô tương đối
chậm, còn thổi thẳng vuông góc với nguyên liệu thì tốc độ làm khô rất chậm
1.4.3 Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của không khí.
Độ ẩm tương đối của không khí cũng là nhân tố ảnh hưởng quyết định
đến quá trình làm khô, độ ẩm của không khí càng lớn quá trình làm khô sẽ

chậm lại. Các nhà Bác học Liên Xô cũ và các nước trên thế giới đã chứng
minh là: độ ẩm tương đối của không khí lớn hơn 65% thì quá trình sấy sẽ
chậm lại rõ rệt, còn độ ẩm tương đối của không khí khoảng 80% trở lên thì
quá trình làm khô sẽ dừng lại và bắt đầu hiện tượng ngược lại, tức là nguyên
liệu sẽ hút ẩm trở lại.
Để cân bằng ẩm, khuếch tán nội phù hợp với khuếch tán ngoại và tránh được
hiện tượng tạo màng cứng, người ta áp dụng phương pháp làm khô gián đoạn
là vừa sấy vừa ủ.


9

Làm khô trong điều kiện tự nhiên khó đạt được độ ẩm tương đối của
không khí 50% đến 60% do nước ta có khí hậu nhiệt đói thường có độ ẩm
cao. Do đó, một trong những phương pháp để làm giảm độ ẩm của không khí
có thể tiến hành làm lạnh cho hơi nước ngưng tụ lại, đồng thời hàm ẩm tuyệt
đối của không khí dưới điểm sương hơi nước sẽ ngưng tụ, đồng thời hàm ẩm
tuyệt đối của không khí cũng được hạ thấp. Như vậy, để làm khô không khí
người ta thường áp dụng phương pháp làm lạnh.
1.4.4 Kích thước của nguyên liệu:
Nguyên liệu càng bé và càng mỏng thì tốc độ sấy càng nhanh.
Trong những điều kiện khác như nhau thì tốc độ sấy tỉ lệ thuận với
diện tích bề mặt S và tỉ lệ nghịch với chiều dày của nguyên liệu S.

1.5 Những biến đổi của nguyên liệu trong quá trình
làm khô.
1.5.1 Những biến đổi cảm quan:
-Biến đổi về khối lượng và thể tích: Khi làm khô do nước trong nguyên
liệu mất đi cho nên khối lượng giảm, thể tích bị co rút lại. Sự giảm khối
lượng và thể tích của nguyên liệu đúng ra bằng khối lượng và thể tích của

nước mất đi nhưng thực tế lại nhỏ hơn. Nguyên nhân là do quá trình làm khô
sản phẩm bị oxy hóa làm cho khối lượng có tăng lên chút ít đồng thời tổ chức
cơ thịt cá là thể keo xốp cho nên khi nước mất đi, các khoảng trống của mô
cơ vẫn tồn tại hoặc chỉ co rút phần nào nên thể tích co rút nhỏ hơn thể tích
nước mất đi.
-Biến đổi về màu sắc: Trong quá trình làm khô màu sắc, mùi vị của sản
phẩm bị biến đổi nhiều so với nguyên liệu ban đầu. Nguyên nhân là do mất
nước làm nồng độ sắc tố trên một đơn vị thể tích tăng lên dẫn đến sản phẩm
có màu sẫm hơn. Đồng thời nếu chế độ làm khô không hợp lý như nhiệt độ
quá cao, lipid bị oxy hóa làm sản phẩm có màu sẫm, mùi ối khét khó chịu. Vì


10

vậy phải chọn chế độ làm khô hợp lý sản phẩm có màu đẹp, mùi thơm.
-Biến đổi trạng thái, tổ chức cơ thịt của nguyên liệu: Trong quá trình
làm khô do mất nước nên kết cấu tổ chức cơ thịt chặt chẽ hơn, khi ăn có cảm
giác dai hơn, cứng hơn. Sự biến đổi kết cấu cơ thịt phụ thuộc vào phương
pháp làm khô.
Nếu sấy ở điều kiện áp lực thường thì quá trình làm khô chậm, tổ chức
cơ thịt co rút nhiều, khả năng phục hồi trạng thái ban đầu kém. Ngược lại khi
sấy ở điều kiện chân không đặc biệt là sấy chân không thăng hoa thì cấu trúc
của cơ thịt ít bị biến đổi, mức độ hút nước của sản phẩm tốt. Vì vậy nó có
khả năng phụ hồi lại gần như trạng thái ban đầu.
1.5.2 Những biến đổi về hóa học:
- Sự thủy phân và oxy hóa lipid:
+ Sự thủy phân lipid: Trong quá trình làm khô đặc biệt là ở giai đoạn
đầu có thể xảy ra quá trình thủy phân lipid tạo thành glyceril và acid béo làm
giảm chất lượng sản phẩm.
+ Oxy hóa lipid: Trong quá trình làm khô các acid béo, đặc biệt là các

acid béo không no dễ bị hóa tạo thành các sản phẩm trung gian như: peroxyd,
hydroperoxyd, rồi tạo ra aldehyd, cetol…làm cho sản phẩm có mùi ôi khét
khó chịu và có màu sẫm tối. Mức độ oxy hóa lipid phụ thuộc vào phương
pháp làm khô, nhiệt độ, thời gian làm khô và bản thân nguyên liệu.
- Sự đông đặc và biến tính của protein:
Khi làm khô ở áp lực thường, sự đông đặc và biến tính của protein
phụ thuộc vào nguyên liệu. Nếu nguyên liệu đã được gia nhiệt thì protein
ít bị biến đổi vì nó đã biến đổi từ trước. Đối với nguyên liệu ướp muối
nếu điều kiện làm khô không tốt thì protein bị biến đổi nhiều. Đặc biệt
đối với nguyên liệu tươi chưa qua xử lý nhiệt hoặc chưa ướp muối.
Protein ở trong nguyên liệu tồn tại chủ yếu ở hai dạng: myozin và


11

myozen. Nhiệt độ đông đặc của chúng là 55-600C. Khi làm khô ở điều kiện
thường các protein này bị đông đặc chuyển từ trạng thái có tình đàn hồi sang
trạng thái keo kết tủa làm mất tính đàn hồi của cơ thịt.
Biến đổi thành phẩm chất ngấm ra: Chất ngấm ra trong quá trình làm khô
biến đổi rất nhiều, đặc biệt là đối với nguyên liệu còn tươi. Sự biến đổi của chất
ngấm ra sẽ tạo nên mùi vị đặc trưng cho sản phẩm khô. Vì vậy làm khô nhanh
chóng là biện pháp tích cực làm giảm bớt tổn thất của chất ngấm ra.
2. Sấy năng lượng mặt trời
2.1.

Sơ lược về mặt trời

Năng lượng bức xạ mặt trời:
Mặt trời là một khối hình cầu, có đường kính 1.39.106 km. Nó tự quay
quanh trục và mỗi vòng quay ở xích đạo là 27 ngày đêm, còn ở các cực là 30

ngày đêm.
Nhiệt độ trên bề mặt của mặt trời là 5726 0K, nhiệt độ ở trung tâm thay
đổi từ 8.106 đến 40.106 0K.
Mặt trời cách xa trái đất khoảng (1.5 ± 1.7%).108 km. Có thể coi đây là
một lò phản ứng nhiệt hạch khổng lồ, biến H2 thành He và năng lượng phát ra
trong một giây là 4.1023 KW ≈ 2.1026 cal/s. Năng lượng mặt trời phát ra trong
một năm tương đương với đốt 400.000 tỷ tấn than đá. Quả đất chúng ta chỉ
nhận được 0.05% tổng năng lượng đó.
Năng lượng mặt trời phát ra dưới dạng sóng điện từ và truyền qua chân
không nên không bị suy giảm. Nó chỉ yếu đi khi đi qua vùng khí quyển bao bọc
xung quanh trái đất.
Các thành phần của bức xạ mặt trời:
Bức xạ mặt trời phát ra những tia truyền thẳng về mọi phía trong không
gian. Khi đi qua lớp khí quyển một số tia bức xạ va chạm với các phân tử khí,


12

các hạt bụi hoặc với những đám mây nên đường đi của chúng bị thay đổi và một
phần năng lượng bị mất đi, do đó một vật trên mặt đất nhận được các loại bức
xạ:
- Chùm tia truyền thẳng từ mặt trời gọi là trực xạ B.
- Các tia phản xạ từ các vật khác trong không gian gọi là tán xạ D.
- Tổng hợp các tia gọi là tổng xạ G = B + D.
Cường độ bức xạ mặt trời:
Mặt trời là nguồn bức xạ phát ra nhiều sóng có quang phổ liên tục, gần ½
tổng năng lượng bức xạ mặt trời ở vùng quang phổ với bước sóng 400-760  .
Một phần năng lượng tới mặt đất dưới dạng tia tử ngoại có bước sóng 290-400 
. Một phần khá lớn nằm trong vùng tia hồng ngoại có bước sóng trên 760  .
Cường độ bức xạ mặt trời là mật độ bức xạ chiếu tới mặt đất trên một

đơn vị diện tích trong một đơn vị thời gian được biểu thị bằng cal/cm2 phút hay
W/m2 khi bức xạ chiếu thẳng góc với vật đen hấp phụ hoàn toàn năng lượng đó.
Nếu mặt trời không ở thiên đỉnh thì năng lượng chiếu xuống sẽ nhỏ hơn.
Nếu S là năng lượng chiếu trực giao thì khi chiếu xiên là S’ và góc hợp bởi tia
chiếu với mặt phẳng ngang là α thì: S’ = S.sin α.
Khi đi qua lớp khí quyển, bức xạ mặt trời bị biến đổi nhiều, một phần bị
hấp phụ và khuếch tán bởi khí quyển và mây nên cường độ bức xạ bị giảm đi.
Trong khí quyển bức xạ mặt trời bị hấp thụ chủ yếu là hơi nước, CO2,
O2 và bụi.
Mặt trời càng lên cao thì đường đi của tia sáng càng rút ngắn. Khi cự li
giữa mặt trời và quả đất là trung bình thì cường độ bức xạ của mặt trời lúc chiếu
vào biên giới lớp khí quyển của quả đất gọi là hằng số mặt trời. Cường độ bức
xạ mặt trời lúc đó là 1.88cal/cm2 phút. Nhưng khi bức xạ mặt trời đi vào lớp khí
quyển có nhiều bụi do sự hút và tán xạ nên cường độ bức xạ giảm đi nhiều.


13

Cường độ bức xạ mặt trời phụ thuộc vào độ trong suốt của khí quyển
và vị trí quan trắc. Một vài trị số trung bình ở các vị trí chiếu khác nhau
của tia nắng như sau:
Góc chiếu là: 50 thì cường độ bức xạ là 0.39 cal/cm2 phút.
600 thì cường độ bức xạ là1.31cal/cm2phút.
900 thì cường độ bức xạ là 1.5cal/cm2 phút.
Ngoài bức xạ trực tiếp, mặt đất còn nhận được lượng nhiệt dưới hình
thức bức xạ tán xạ.
Cường độ bức xạ tán xạ tỉ lệ nghịch với độ trong suốt của khí quyển.
Lượng nhiệt bức xạ của mặt trời phần lớn dùng để đốt nóng nguyên
liệu, còn một phần nhỏ phản xạ ra không khí.
Tình hình phân bố bức xạ và giờ nắng ở nước ta:

Nước ta thuộc vùng khí hậu nhiệt đới trải dài từ vĩ độ 23N đến 8N.
Chế độ bức xạ mặt trời và chế độ nắng khác nhau rõ rệt tùy theo điều
kiện địa hình có núi non ngăn cách và chế độ gió mùa tạo nên mây
mưa của các vùng lãnh thổ khác nhau trong năm.

Vùng lãnh thổ

Tổng xạ trung bình (KW/m2năm)

Từ vĩ độ 17N ra bắc trừ vùng Tây Bắc

69.80 - 87.25

Tây Bắc, phía Tây dãy Hoàng Liên Sơn

87.25 - 104.70

Từ vĩ độ 17N xuống 14N

87.25 - 104.70

Nam Trung Bộ và Tây Nguyên

104.70 - 122.15

Nam bộ

90.74 - 104.70

Về số giờ nắng trong năm cũng thay đổi khá nhiều theo vùng lãnh thổ

14

và theo mùa.
Phân bố tổng xạ và giờ nắng trong năm của Việt Nam như sau:
Vùng lãnh thổ

Tổng số giờ nắng trong

năm Miền núi cực Bắc

nhỏ hơn 1500 giờ

Tây Bắc và khu 4 cũ trở ra

nhỏ hơn 1750 giờ

Trung Nam bộ

1750 - 2000 giờ

Nam Trung bộ và Nam bộ

2000 - 2500 giờ

2.2.

Ứng dụng vào lĩnh vực sấy
a) Trong sấy nông sản

Trong kỹ thuật sấy 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.
Trong nước đã có rất nhiều đề tài về sử dụng năng lượng mặt trời để sấy
nông sản, điển hình như máy sấy cà phê bằng năng lượng mặt trời của TS. Mai
Thanh Phong, trường đại học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh.


15

Hình 1.1 Máy sấy cà phê bằng năng lương mặt trời
Hay là máy sấy năng lượng mặt trời dùng để sấy thóc do Chương trình Đối
tác – Đổi mới sáng tạo Việt Nam – Phần Lan do Bộ Khoa học và Công nghệ
phối hợp thực hiện.


16

Hình 1.2 Máy sấy thóc năng lượng mặt trời
Và rất nhiều các hệ thống do người nông dân, các doanh nghiệp chế tạo để
sấy các loại nông sản khác….

Hình 1.3 Máy sấy gỗ bằng năng lượng mặt trời


17

Để chế tạo các hệ thống sấy bằng năng lượng mặt trời mà hiệu quả người

nông dân thường dựa vào nguyên lí sau:

Hình 1.4 Nguyên lí làm việc của hệ thống sấy năng lượng mặt trời đơn giản

1- Ánh sáng mặt trời chiếu xuống xuyên qua “Mặt kính hay tấm trong suốt”.
2- Gặp vật màu đen là “Tấm tôn sơn đen” đặt bên trong “Buồng thu năng lượng”
là một dạng bẫy nhiệt, khiến cho tấm tôn nóng lên.
3- Không khí bên trong buồng thu năng lượng nóng lên sẽ giãn nở và bay lên trên
đi vào “Buồng sấy”, sự di chuyển của không khí tạo ra một luồng khí khiến cho
không khí mới đi vào thông qua ô “không khí đi vào” và tiếp tục bị hun nóng bởi
cái bẫy nhiệt.
4- Không khí nóng đi vào Buồng sấy và đi xuyên qua khay lưới chứa vật cần sấy
và mang hơi ẩm thoát ra khỏi “Lỗ thông thoáng”.
b) Trong sấy thủy sản
NLMT ngoài việc ứng dụng rộng rãi trong sấy nông sản nh ư cà phê, ca
cao, tiêu, lúa… nó còn được ứng dụng trong sấy các sản phẩm thủy sản có hàm
l ượng nước cao hơn như cá, mực ….


18

- Cụ thể công ty cổ phần Đại Thuận – Chi nhánh Lương Sơn, thành phố
Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa đã xây dựng lắp ghép các phòng sấy sử dụng
NLMT để sấy khô các sản phẩm như: cá ghim khô, cá bò da khô, cá hố khô
…
Kết quả cho thấy sản phẩm làm ra có chất l ượng đảm bảo các chỉ tiêu về cảm
quan, chất lượng và vệ sinh an toàn thực phẩm. Đặc biệt so sánh về chi phí đầu
tư và vận hành giữa hệ thống sấy sử dụng dầu diesel truyền thống và hệ thống
sấy sử dụng
NLMT thì hệ thống sấy sử dụng NLMT hoàn toàn chiếm ưu thế. Giá thành đầu

tư và vận hành đã giảm rất nhiều, mang lại lợi ích kinh tế là vô cùng lớn.
Bộ môn kỹ thuật lạnh Trường Đại Học Nha Trang đã chế tạo thiết bị sấy
NLMT kết hợp đối lưu gió để sấy các sản phẩm thủy sản cho chất l ượng tương
đối tốt.

Hình 1.5 Máy sấy năng lượng mặt trời kết hợp đối lưu để sấy thủy sản.
Ưu nhược điểm của sấy năng lượng mặt trời
* Ưu điểm :

- NLMT là nguồn năng lượng tự nhiên sạch, không mất tiền mua.