Xây dựng và nghiên cứu mô hình thực nghiệm hệ thống sấy buồng nông sản thực phẩm bằng bơm nhiệt hoạt động theo chu trình lạnh hai nhiệt độ bay hơi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
--------------------------------------

NGUYỄN ĐÌNH TẤN

XÂY DỰNG VÀ NGHIÊN CỨU MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
HỆ THỐNG SẤY BUỒNG NÔNG SẢN THỰC PHẨM BẰNG
BƠM NHIỆT HOẠT ĐỘNG THEO CHU TRÌNH LẠNH HAI
NHIỆT ĐỘ BAY HƠI

Chuyên ngành: Kỹ thuật Nhiệt lạnh

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
KỸ THUẬT NHIỆT LẠNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN ĐỨC LỢI

Hà Nội - N¨m 2012


LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học của tôi thực hiện dưới
sự hướng dẫn của PGS.TS.Nguyễn Đức Lợi. Tôi chỉ sử dụng các tài liệu trong mục tài
liệu tham khảo. Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn này là hoàn toàn trung
thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây.
Nếu sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm theo quy định.
Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2012
Tác giả luận văn

Nguyễn Đình Tấn


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin được bày tỏ sự cảm ơn chân thành tới thầy giáo hướng dẫn: PGS.TS.
Nguyễn Đức Lợi luôn tận tình hướng dẫn và động viên thường xuyên.
Tôi cũng chân thành gửi lời cảm ơn tới:
Thầy Nguyễn Mạnh Hùng trường Đại học giao thông vận tải đã tạo điều kiện về
thời gian, phòng thí nghiệm, đóng góp ý kiến để tôi thực hiện bản luận văn này
Ban Giám hiệu, Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt Lạnh, Viện Đào tạo Sau Đại
học - Trường đại học Bách Khoa Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong
quá trình học tập
Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới những người thân trong gia đình, bạn bè
và đồng nghiệp - với sự quan tâm, động viên và ủng hộ nhiệt tình đối với tôi trong suốt
quá trình học tập và nghiên cứu.
Trong quá trình thực hiện luận văn không thể tránh khỏi những sai sót, tác giả rất
mong những ý kiến đóng góp, phê bình của các thầy cô và các bạn đồng nghiệp.
Hà Nội, tháng 03 năm 2012


MỤC LỤC
Trang
Lời cám ơn
Lời cam đoan
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
Danh mục các bảng
Danh mục các hình vẽ
MỞ ĐẦU……………………………………………………………………………….......1
Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY SỬ DỤNG BƠM NHIỆT TRÊN
THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM……………………………………………………….3

1.1. Động lực quá trình sấy………………………………………………………………3
1.2. Các phương pháp sấy………………………………………………………………..3
1.2.1. Phương pháp sấy nóng……………………………………………………...4
1.2.2. Phương pháp sấy lạnh………………………………………………………4
1.3. Phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt………………………………………………...5
1.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống…………………………………………………..5
1.3.2. Các tiêu chí đánh giá hiệu quả của hệ thống sấy bơm nhiệt………………..7
1.3.3. Các nghiên cứu về sấy bơm nhiệt trong và ngoài nước.................................9
1.4. Vấn đề thay đổi thông số TNS……………………………………………………...13
1.5. Tổng quát các nội dung nghiên cứu của luận văn…………………………………...13
1.5.1 Mục đích nghiên cứu của luận văn……………………………………………..13
1.5.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu………………………………………………...14
1.5.3 Phương pháp nghiên cứu………………………………………………………14
Chương 2 - PHƯƠNG PHÁP SẤY GIÁN ĐOẠN………………………………………...15
2.1. Các phương pháp sấy gián đoạn……………………………………………………15
2.2. Sấy gián đoạn theo mẻ sử dụng bơm nhiệt………………………………………….18
2.2.1 Các kiểu sấy gián đoạn theo mẻ bằng bơm nhiệt………………………………..18


2.2.2. Phương pháp cấp nhiệt gián đoạn theo kiểu ON/OFF………………………….19
2.2.3. Phương pháp cấp nhiệt theo chu kỳ……………………………………….20
2.3. Đánh giá sơ bộ hiện tượng truyền nhiệt truyền chất đồng thời trong vật liệu khi
sấy gián đoạn…………………………………………………………………………..21
2.3.1. Cơ chế truyền nhiệt – truyền ẩm trong các quá trình sấy…………………21
2.3.2. Truyền nhiệt – truyền ẩm trong quá trình cấp nhiệt gián đoạn…………...25
2.4. Một vài kết quả nghiên cứu về sấy gián đoạn trên thế giới……………………27
Chương 3 - XÂY DỰNG VÀ HOÀN THIỆN MÔ HÌNH HTS BƠM NHIỆT HAI NHIỆT ĐỘ
BAY HƠI………………………………………………………………………………………….34

3.1. Giới thiệu……………………………………………………………………....34

3.2. Tính toán chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi……………………………………………35
3.2.1. Nguyên lý hoạt động…………………………………………………………..35
3.2.2. Phương trình tính toán…………………………………………………..…….36
3.2.3. Điều chỉnh phân tầng áp suất bằng van KVP………………………………….37
3.3. So sánh lý thuyết chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi với chu trình một nhiệt độ
sôi…………………………………………………………………………………………39
3.4 Những ưu điểm của hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi…………………..40
3.4.1. Nâng cao lượng nhiệt thu hồi tại dàn lạnh……………………………………...40
3.4.2. Nâng cao hệ số hiệu quả……………………………………………………….41
3.4.3. Tiết kiệm năng lượng nhờ điều chỉnh năng suất lạnh Q0……………………….41
3.4.4 Điều chỉnh thông số tác nhân sấy sau khi đi qua dàn lạnh………………...45
3.5. Xây dựng và hoàn thiện mô hình HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi……………49
3.5.1. Thông số chu trình và các kết quả thiết kế……………………………………...49
3.5.2. Các vấn đề cần hoàn thiện và bổ sung…………………………………….53
3.5.3. Mô hình thiết bị thí nghiệm……………………………………………….57
3.5.4 Các bước cơ bản lắp đặt và hoàn thiện mô hình…………………………...64
3.6. Nhận xét………………………………………………………………………...…64


Chương 4 - THỰC NGHIỆM SẤY CÀ RỐT…………………………………………65
4.1.Mục đích thí nghiệm……………………………………………………………65
4.2. Chọn vật liệu sấy………………………………………………………………65
4.3. Tiến hành thí nghiệm………………………………………………………………66
4.3.1. Công tác chuẩn bị…………………………………………………………66
4.3.2 Trình tự tiến hành……………………………………………………………...68
4.4. Kết quả thí nghiệm và thảo luận……………………………………………….69
4.4.1 Thực nghiệm sấy gián đoạn trên mô hình HTS với các hệ số thời gian làm
việc b khác nhau……………………………………………………………………….69
4.4.2. Thí nghiệm thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ cấp nhiệt……………………...78
4.5. Nhận xét…………………………………………………………………………...80

Chương 5 - KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ………………………………………………..81
5.1. Kết luận……………………………………………………………………………81
5.2. Kiến nghị…………………………………………………………………………..82
TÀI LIỆU THAM KHẢO…………………………………………………………………83

PHỤ LỤC


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

NSTP

: nông sản thực phẩm;

HTS

: hệ thống sấy;

TNS

: tác nhân sấy;

VL

: vật liệu;

VLS

: vật liệu sấy;

HPE

: dàn bay hơi áp suất cao;

LPE

: dàn bay hơi áp suất thấp;

TL

: tiết lưu;

COP

: hệ số hiệu quả của bơm nhiệt;

SMER : lượng ẩm riêng, g/kWh;
Q01 , Q02 : năng suất lạnh lần lượt tạo ra bởi HPE và LPE,W;

Qkt

: nhiệt ngưng tụ tại dàn ngưng trong, kW;

F

: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2;

t b1 , t b2

: nhiệt độ không khí trong buồng tạo ra lần lượt bởi HPE và LPE, 0C;

t 01 , t 02

: nhiệt độ sôi của môi chất lần lượt trong HPE và LPE, 0C;

Qh

: năng lượng hiệu quả do buồng sấy thu được từ bơm nhiệt;

Ne

: điện năng cấp cho hệ thống, kWh;

Ga

: lượng ẩm tách được, kg;



: thời gian, h;

k

: hệ số truyền nhiệt, W/ m2K;

qk

: năng suất nhiệt riêng của bơm nhiệt, W;

q0

: năng suất lạnh riêng của bơm nhiệt, W;



: hệ số lạnh của bơm nhiệt;



: hệ số nhiệt của bơm nhiệt;

t

: độ chênh nhiệt độ, 0C;


d

: dung ẩm, kg/kg;

m

: lưu lượng môi chất qua máy nén, kg/s;



: hệ số cấp;

Vlt

: thể tích hút lý thuyết, m3/s;

v1

: thể tích riêng hơi hút về máy nén, m3/kg;



: khối lượng riêng, kg/m3;

c

: nhiệt dung riêng, J/kgK;



: hệ số dẫn nhiệt, W/mK;

w

: độ ẩm, %;

Cpk

: nhiệt dung riêng của không khí khô, kJ/kg.K;

Cph

: nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kg.K;

ro

: nhiệt ẩn hoá hơi, kJ/kg.


DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1. Các nghiên cứu về sấy bơm nhiệt gần đây của các tác giả trên thế giới
Bảng 1.2. So sánh chất lượng thực phẩm sấy bằng công nghệ sấy lạnh so với các công
nghệ sấy truyền thống.
Bảng 2.1. Tóm tắt các chế độ sấy gián đoạn bằng bơm nhiệt
Bảng 2.2. Tóm tắt ảnh hưởng sự biến thiên profiles nhiệt độ theo thời gian đối với sự suy giảm
lượng acid ascorbic (S. K. Chou et al, 2000)
Bảng 3.1. Thông số chu trình lạnh (môi chất R22) theo thiết kế
Bảng 3.2. Thông số chu trình lạnh thường gặp khi vận hành HTS
Bảng 3.3. Kết quả thiết kế HTS
Bảng 3.4. Thông số HTS
Bảng 3.5. Các chế độ vận hành HTS
Bảng 3.6. Số lượng, thông số kĩ thuật của các thiết bị đo trong hệ thống
Bảng 4.1. Mô tả thí nghiệm sấy 800 g vải ẩm với b = 25/30 và 20/30.
Bảng 4.2. Thông số thí nghiệm khi sấy 1200g vải ẩm
Bảng 4.3. Thông số thí nghiệm khi sấy 2500g vải ẩm
Bảng 4.4. Thông số thí nghiệm khi sấy 1000g cà rốt lát mỏng, δ = 3 mm.
Bảng 4.5. Thông số thí nghiệm khi sấy 180 g cà rốt, δ = 5 mm
Bảng 4.6. Giá trị nhiệt độ, độ ẩm tương đối của TNS và lượng ẩm tách được sau mỗi chu kỳ


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1. Động lực quá trình sấy

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý làm việc của một HTS sử dụng bơm nhiệt
Hình 1.3. Quá trình biến đổi trạng thái không khí trong HTS trên đồ thị I-d
Hình 1.4. Một buồng sấy gỗ bằng bơm nhiệt của hãng Westair
Hình 2.1. Sơ đồ phân loại tổng quát các kiểu sấy gián đoạn
Hình 2.2. Sơ đồ cấp nhiệt và ngừng cấp nhiệt cho buồng sấy
Hình 2.3. Các dạng profiles nhiệt độ của TNS trong HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi
Hình 2.4. Quan hệ của hệ số am và δ với nhiệt độ và độ ẩm
Hình 2.5. Sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm bên trong VLS theo thời gian
Hình 2.6. Biến thiên độ chứa ẩm bề mặt và trung bình của vật liệu sấy khi cấp nhiệt và ngừng
cấp nhiệt theo chu kỳ
Hình 2.7. Mô hình thiết bị thí nghiệm Zalmed 42/250/M
Hình 2.8. Sự thay đổi khối lượng VLS theo thời gian khi thay đổi nhiệt độ theo chu kỳ
Hình 2.9. Sự thay đổi khối lượng VLS theo thời gian khi thay đổi độ ẩm tương đối theo chu kỳ
Hình 2.10. Chất lượng vật mẫu trong thí nghiệm của S.J. Kowalski và A. Pawlowski
Hình 3.1. Sơ đồ cách mắc các dàn bay hơi
Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi
Hình 3.3. Hình ảnh và cấu tạo van điều chỉnh áp suất KVP
Hình 3.4. Sơ đồ lắp đặt của hệ thống lạnh 2 nhiệt độ bay hơi bằng van KVP
Hình 3.5. Quá trình thu nhiệt từ không khí của hệ thống một và hai nhiệt độ sôi
Hình 3.6. Nhu cầu năng suất lạnh thay đổi theo thời gian
Hình 3.7. Khả năng điều chỉnh năng suất lạnh của hai dàn bay hơi
Hình 3.8. Sơ đồ thiết bị chu trình tiết lưu hơi hút
Hình 3.9. Chu trình tiết lưu hơi hút và biểu đồ năng suất lạnh phụ thuộc vào áp suất hút đặt
trên van KVP
Hình 3.10. Sơ đồ tuần hoàn không khí có bypass


Hình 3.11. Đồ thị h-d biểu diễn chu trình TNS có bypass
Hình 3.12.Các điểm trạng thái của không khí ẩm trong HTS khi sử dụng bypass trên đồ thị I-d
Hình 3.13. Ảnh hưởng của việc điều chỉnh tỉ lệ bypass đến tổng lượng nhiệt thu hồi tại dàn

bay hơi
Hình 3.14. Đồ thị lgp-h của các chu trình A, B
Hình 3.15. Đồ thị lgp-h của các chu trình C, D
Hình 3.16. Đồ thị lgp-h của các chu trình E, F, G
Hình 3.17. Sơ đồ nguyên lý của HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi
Hình 3.18. Sơ đồ mô hình đơn giản của hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi
Hình 3.19. Sơ đồ các điểm đo
Hình 3.20. Sơ đồ mạch điện động lực
Hình 3.21. Sơ đồ mạch điện điều khiển hệ thống
Hình 4.1. Cà rốt trước khi sấy
Hình 4.2. Khả năng tách ẩm theo thời gian
Hình 4.3. Biến thiên SMER theo thời gian
Hình 4.4. Lượng ẩm tách theo thời gian của TN3 , TN4 và TN5
Hình 4.5. Biến thiên SMER theo thời gian của TN3 ÷ TN5
Hình 4.6. Lượng ẩm tách theo thời gian của TN6 và TN7
Hình 4.7. Biến thiên SMER theo thời gian của TN6 và TN7
Hình 4.8. Lượng ẩm tách theo thời gian của TN8 – TN10
Hình 4.9. Biến thiên SMER theo thời gian của TN8 ÷ TN10
Hình 4.10. Lượng ẩm tách theo thời gian của TN11 – TN13
Hình 4.11. Biến thiên SMER theo thời gian của TN11, TN12 và TN13
Hình 4.12. Sản phẩm sấy cà rốt bề dày 3mm, chế độ E(25+5)
Hình 4.13. Biến thiên nhiệt độ TNS theo thời gian
Hình 4.14. Biến thiên độ ẩm tương đối của TNS theo thời gian


MỞ ĐẦU

Phương pháp sấy dùng bơm nhiệt nén hơi đang được nghiên cứu do có những ưu
điểm về mặt tiết kiệm năng lượng, giữ được màu sắc và chất lượng sản phẩm... đặc biệt
phù hợp với những vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ. Hệ thống sấy (HTS) sử dụng bơm

nhiệt có một ưu điểm nổi trội hơn so với HTS bằng khí nóng thông dụng là khả năng
điều chỉnh thông số tác nhân sấy và khả năng tận dụng năng lượng. Tuy nhiên, nhược
điểm của HTS sử dụng bơm nhiệt truyền thống là đầu tư ban đầu cao, công nghệ vận
hành phức tạp và phải sử dụng điện là nguồn năng lượng cao cấp. Chính vì thế, xu
hướng nghiên cứu với HTS hiện nay tập trung vào các vấn đề: sấy sản phẩm mới hoặc
quá trình sấy mới; công suất sấy cao hơn công nghệ hiện tại; chất lượng tốt hơn và điều
chỉnh thông số tác nhân sấy (TNS) tốt hơn; giảm các tác động đến môi trường, sử dụng
năng lượng tái tạo; hiệu quả năng lượng cao hơn, sử dụng hệ thống thu hồi nhiệt; giảm
thiểu cháy nổ, rủi ro, độc hại, vận hành an toàn hơn; thời gian sấy ngắn hơn mà vẫn đảm
bảo được chất lượng sản phẩm cao...
Nhận thấy rằng, theo hướng nghiên cứu công nghệ sấy mới, tiết kiệm năng lượng và thu
hồi nhiệt, thì HTS sử dụng bơm nhiệt hoạt động theo chu trình lạnh hai nhiệt độ bay hơi có thể
đáp ứng được các vấn đề trên, đặc biệt trong đó là vấn đề sấy gián đoạn nên em đã mạnh dạn
thực hiện đề tài tốt nghiệp “Xây dựng vµ nghiªn cøu mô hình thực nghiệm hệ thống sấy
buồng nông sản thực phẩm bằng bơm nhiệt hoạt động theo chu trình lạnh hai nhiệt độ
bay hơi ”để nghiên cứu. Nội dung của đề tài là nghiên cứu thiết kế và xây dựng hoàn
thiện HTS đã mô tả trong [12]. Nghiên cứu thực nghiệm sấy cà rốt khi thay đổi thông số
TNS nhờ chu trình hai nhiệt độ bay hơi, kể cả sấy gián đoạn, đánh giá hiệu quả năng
lượng và thời gian sấy.
Nội dung của luận văn được trình bày thành các chương như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ sấy sử dụng bơm nhiệt trên thế giới và tại Việt Nam
Chương 2: Phương pháp sấy gián đoạn

1


Chương 3: Xây dựng và hoàn thiện mô hình HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ bay hơi
Chương 4: Thực nghiệm sấy cà rốt
Chương 5: Kết luận, kiến nghị
Do hạn chế về mặt thời gian và trình độ cũng như kinh nghiệm thực tế, đề tài đi theo

hướng nghiên cứu còn mới nên gặp không ít khó khăn vì vậy luận văn chắc chắn không tránh
khỏi thiếu sót, kính mong sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô và đồng nghiệp.

2


Chương 1
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY SỬ DỤNG BƠM NHIỆT TRÊN THẾ
GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM
1.1. Động lực quá trình sấy
Sấy là một quá trình công nghệ nhằm
tách ẩm (chủ yếu là nước và hơi nước) ra
khỏi VLS để thải vào môi trường – TNS.
Để quá trình sấy xảy ra, VLS nhận được
nguồn năng lượng theo một phương thức
nào đó khiến cho ẩm từ trong lòng vật liệu
dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt khuếch
Hình 1.1. Động lực quá trình sấy

tán vào môi trường. Cả hai quá trình này

được đặc trưng bởi động lực dịch chuyển ẩm L 1 và L2 tương ứng; L1 tỉ lệ thuận với
hiệu số (p t – p bm) còn L2 tỉ lệ thuận với hiệu số (p bm – p h) [1]:
L1 ~ (p t – p bm)

(1.1)

L2 ~ (p bm – p h)

(1.2)

Trong đó p t, p bm, p h lần lượt là phân áp suất của hơi nước trong tâm vật, trên
bề mặt và của môi trường xung quanh. Nếu gọi L là động lực quá trình sấy thì
động lực này cũng tỉ lệ thuận với độ chênh phân áp suất (p t – p h):
L ~ (p t – p h)

(1.3)

Ẩm trong vật liệu luôn dịch chuyển theo chiều từ nơi có phân áp suất cao sang nơi
có phân áp suất thấp. Độ chênh này càng cao thì động lực sấy càng lớn. Theo đó,
có thể tăng p t bằng cách đốt nóng vật liệu hoặc làm giảm phân áp suất hơi nước p h
của môi trường xung quanh để tạo động lực cho quá trình sấy.
1.2. Các phương pháp sấy
Dựa vào phương pháp tạo động lực quá trình sấy, người ta chia ra hai phương
pháp sấy: phương pháp sấy nóng và phương pháp sấy lạnh [2].

3


1.2.1. Phương pháp sấy nóng
Trong phương pháp sấy nóng, nhờ đốt nóng hoặc cả TNS lẫn VLS hoặc chỉ đốt nóng
VLS mà hiệu số phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật pbm và phân áp suất hơi nước trong
TNS ph tăng dẫn đến quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng VLS ra bề mặt và đi vào môi
trường.
Theo phương pháp cung cấp nhiệt, HTS nóng được phân thành các loại:
• HTS đối lưu: Đây là HTS phổ biến nhất. Trong HTS này, VLS nhận nhiệt bằng đối
lưu từ một dịch thể nóng mà thông thường là không khí hoặc khói lò. Trong HTS đối lưu
người ta lại phân ra các loại: HTS buồng, HTS HTS hầm, HTS thùng quay, HTS tháp, HTS
khí động…
• HTS tiếp xúc: đây là HTS trong đó VLS nhận nhiệt từ một bề mặt nóng bằng dẫn

nhiệt. HTS tiếp xúc được chia làm hai loại: HTS lô và HTS tang.
• HTS bức xạ: VLS nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để ẩm dịch chuyển từ trong lòng
VLS ra bề mặt và từ bề mặt khuếch tán vào môi trường.
• Các HTS khác: ngoài ba HTS sấy nóng kể trên còn có HTS dùng dòng điện
cao tần hoặc dùng năng lượng từ trường để đốt nóng vật. Giống như HTS bức xạ
và tiếp xúc, các HTS loại này cũng chỉ tạo ra độ chênh phân áp suất giữa VLS và
môi trường bằng cách đốt nóng vật. Do kỹ thuật tạo ra trường điện từ cũng như
tính kinh tế của nó nên các HTS này rất ít gặp.
1.2.2. Phương pháp sấy lạnh
Trong phương pháp sấy lạnh, động lực quá trình sấy L được tạo ra bằng cách giảm phân
áp suất hơi nước trong TNS ph nhờ giảm độ chứa ẩm d theo công thức [2]:

ph =

B.d
0,622 + d

(1.4)

trong đó:
ph – phân áp suất hơi nước trong TNS, kN/m2;
B – áp suất khí quyển, kN/m2;
d – độ chứa ẩm của không khí, kga/kgkk.

4


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) và cũng có thể nhỏ hơn 0°C. Phương pháp sấy lạnh có thể
phân ra làm hai loại HTS:

• HTS lạnh ở nhiệt độ t < 0 °C.
HTS này lại được phân thành hai loại: HTS thăng hoa và HTS chân không. Trong
HTS thăng hoa, VLS được làm lạnh xuống dưới điểm ba thể (nhiệt độ của vật liệu T <
273K, áp suất TNS bao quanh vật p < 610 Pa), ẩm trong VLS ở dạng rắn trực tiếp biến
thành hơi đi vào TNS. Trong HTS chân không, áp suất trong buồng sấy gần như áp suất
chân không, nhiệt độ VLS có thể dương hoặc âm, nước trong VLS chuyển từ thể rắn sang
thể lỏng, sau đó mới biến thành hơi đi vào TNS.
• HTS lạnh ở nhiệt độ t > 0 °C
- HTS sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hợp máy lạnh: phương pháp này
sử dụng máy hút ẩm kết hợp với máy lạnh để tạo ra một môi trường sấy có nhiệt độ
khá thấp, thường có thể bằng hoặc bé hơn nhiệt độ môi trường từ 5 ÷ 15 °C.
- HTS sử dụng bơm nhiệt nén hơi: Bơm nhiệt có nhiệm vụ vừa tạo ra môi
trường sấy cho vật liệu, vừa làm nhiệm vụ tách ẩm sau khi TNS ra khỏi buồng sấy.
1.3. Phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt
1.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống
èng giã

2

1
Buång sÊy
TC

BH

NTt

3

NTn

Qu¹t

Van TL
Van §T 3 ng¶
MN

a)

5


èng giã

2

1
Buång sÊy
TC

BH

NTt

3

NTn

Qu¹t

Van TL

MN

b)
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý làm việc của một HTS sử dụng bơm nhiệt
a) Điều chỉnh nhiệt độ vào buồng sấy bằng van điện từ 3 ngả
b) Điều chỉnh nhiệt độ vào buồng sấy bằng quạt dàn ngưng ngoài
------- vòng tuần hoàn của TNS.
vòng tuần hoàn của môi chất lạnh.
Hình 1.2 giới thiệu sơ đồ nguyên lý làm việc của một HTS sử dụng bơm nhiệt nén
hơi. TNS ở đây là không khí. Không khí đi vào buồng sấy ở trạng thái 1 có độ ẩm tương
đối thấp, trao đổi nhiệt ẩm với VLS và đi ra khỏi buồng sấy ở trạng thái 2.
Lúc này không khí đã nhận ẩm của VLS nên có độ chứa ẩm cao và đi vào dàn bay
hơi. Tại đây, do nhiệt độ không khí bị hạ thấp xuống dưới nhiệt độ đọng sương nên ẩm
trong không khí bị tách ra nhờ quá trình ngưng tụ trên bề mặt dàn bay hơi rồi được lấy ra
ngoài. Không khí sau khi được làm lạnh và hút ẩm ở trạng thái 3 được đưa qua dàn ngưng
tụ. Sau dàn ngưng tụ, nhiệt độ không khí tăng lên và do đó độ ẩm tương đối φ giảm.
Không khí trở về trạng thái 1 và đi vào buồng sấy khép kín vòng tuần hoàn. Trong nhiều
trường hợp không sử dụng hết công suất nhiệt của dàn ngưng, có thể mắc thêm một dàn
ngưng khác nằm ngoài vòng tuần hoàn của không khí (dàn ngưng phụ) để đẩy bớt nhiệt
thừa ra ngoài môi trường. Quá trình biến đổi trạng thái không khí trong hệ thống sấy được
biểu diễn trên hình 1.3.

6


I
(k J/k g kk )

1
t1
2

t2



= 1 0 0%

3

t3

d
(kg a /k g kk )

Hình 1.3. Quá trình biến đổi trạng thái không khí trong HTS trên đồ thị I-d
1 – 2: quá trình trao đổi nhiệt ẩm giữa không khí với VLS trong buồng sấy.
2 – 3: quá trình làm lạnh và khử ẩm khi qua dàn bay hơi.
3 – 1: quá trình đốt nóng không khí khi qua dàn ngưng tụ.
1.3.2. Các tiêu chí đánh giá hiệu quả của hệ thống sấy bơm nhiệt
Theo [16], hiệu quả tổng thể của một hệ thống sấy bơm nhiệt có thể được đánh giá dựa
vào một số tiêu chuẩn, bao gồm hệ số hiệu quả COP (Coefficient of Performance), lượng tách
ẩm riêng SMER (Specific Moisture Extraction Rate), lượng nhiệt thu hồi tại dàn bay hơi (heat
recovered).
a) Hệ số hiệu quả COP
Hiệu quả của bơm nhiệt được đánh giá bởi hệ số hiệu quả COP, được định nghĩa [17]:

COP =

n¨ng l­îng h÷u Ých
n¨ng l­îng tiªu tèn

(1.5)

Tùy vào mục đích sử dụng, năng lượng hữu ích có thể là năng suất nhiệt thải ra ở dàn
ngưng tụ qk hoặc cả qk và năng suất lạnh q0 ở dàn bay hơi. Năng suất nhiệt của bơm nhiệt tính
theo phương trình cân bằng nhiệt ở máy lạnh:
qk = q0 + l

(1.6)

trong đó l là năng lượng cấp cho máy nén. Nếu chỉ sử dụng qk thì:

COP =

qk
q +l
= 0 =  +1
l
l

(1.7)

7


Với ε = q0/l là hệ số lạnh. Nếu sử dụng cả qk và q0 thì:

COP =

q0 + qk
= 2 + 1
l

(1.8)

Về mặt lý thuyết, hệ số hiệu quả của bơm nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot là lớn
nhất:
COPc =

Tk
Tk  T0

(1.9)

trong đó Tk, T0 lần lượt là nhiệt độ tuyệt đối của môi chất tại dàn ngưng tụ và dàn bay
hơi, K.
Hệ số hiệu quả của bơm nhiệt thực tế thường chỉ bằng 50% – 55% so với COP của bơm
nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot [4]. COPC trên thực tế là không thể thực hiện được, tuy
nhiên ý nghĩa quan trọng của nó là dùng làm tiêu chuẩn để đánh giá mức độ hiệu quả của chu
trình thực. COP của bơm nhiệt phụ thuộc chủ yếu vào hiệu nhiệt độ vận hành giữa dàn nóng
và dàn lạnh ΔT = Tk – T0. Để bơm nhiệt đạt hiệu quả kinh tế cao, thường người ta phải chọn
hiệu nhiệt độ ΔT sao cho hệ số nhiệt thực tế của bơm nhiệt phải đạt từ 3 đến 4 trở lên, nghĩa là
hiệu nhiệt độ phải nhỏ hơn 60 K [4].
Tuy nhiên, chỉ số COP chưa phản ánh được chính xác và đầy đủ hiệu quả thực của quá
trình sấy do tính đặc thù rất riêng của nhiệt năng, đó là khả năng biến đổi hạn chế và sự xuống
cấp của năng lượng, nhất là trong các quá trình biến đổi năng lượng [7]. Vì vậy, ngoài chỉ số
COP, khi đánh giá hiệu quả của một máy sấy, người ta hay dùng lượng tách ẩm riêng SMER.

b) Lượng tách ẩm riêng SMER
SMER được định nghĩa [17-18]:

SMER =

Tæng l­îng n­íc t¸ch ®­îc tõ VLS
, kg/kWh
N¨ng l­îng tiªu thô cho hÖ thèng

(1.10)

SMER phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm tương đối không khí vào buồng sấy, nhiệt độ
ngưng tụ Tk, nhiệt độ bay hơi T0, hiệu quả của chu trình lạnh, [17].
c) Lượng nhiệt thu hồi

8


Bên cạnh COP và SMER, hiệu quả của chu trình bơm nhiệt còn có thể được đánh giá
bằng lượng nhiệt thu hồi tại các dàn bay hơi. Lượng nhiệt thu hồi tại mỗi dàn bay hơi là lượng
nhiệt thu hồi khi làm lạnh và tách ẩm không khí.

Qth  Gkk .( I 2  I1 ), kW

(1.11)

Trong đó:
Qth – lượng nhiệt thu hồi tại dàn bay hơi, kW.
Gkk – lưu lượng không khí khi qua dàn bay hơi, kg/s.
I1, I2 – lần lượt là enthalpy của không khí ẩm trước và sau khi đi qua dàn bay hơi,

kJ/kg.
Enthalpy I của không khí ẩm được tính theo công thức:

I  C pk .t  d (r0  C pht ), kJ/kgkk

(1.12)

trong đó Cpk, Cph tương ứng là nhiệt dung riêng của không khí khô và hơi nước, kJ/kg.K;
r0 là nhiệt ẩn hóa hơi; t là nhiệt độ không khí, °C; d – độ chứa ẩm của không khí, kgâ/kgkk; Có
thể lấy Cpk = 1,004 kJ/kgK; Cph = 1,842 kJ/kg.K và r0 = 2500 kJ/kg, [2]. Khi đó enthalpy của
không khí ẩm bằng:

I = 1,004.t + d(2500 + 1,842.t), kJ/kgkk

(1.13)

1.3.3. Các nghiên cứu về sấy bơm nhiệt trong và ngoài nước
Nhờ những ưu điểm vượt trội của bơm nhiệt về khả năng thu hồi nhiệt, tiết kiệm năng
lượng, thân thiện với môi trường… nên hiện nay bơm nhiệt đã được nghiên cứu và ứng dụng
trong rất nhiều lĩnh vực sử dụng nhiệt khác nhau. Đặc biệt, khi ứng dụng bơm nhiệt trong
công nghệ sấy nông sản thực phẩm, bơm nhiệt tỏ ra rất hiệu quả về nhiều mặt so với sấy bằng
khí nóng thông thường, cụ thể là: quá trình sấy được tiến hành ở nhiệt độ thấp (điều này rất
quan trọng đối với những sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ), hiệu suất sử dụng năng lượng cao
hơn do cả nhiệt hiện và nhiệt ẩn của chất bay hơi được thu hồi, chất lượng sản phẩm tốt hơn,
quá trình sấy hoàn toàn độc lập với điều kiện bên ngoài. Ngoài ra công nghệ này thân thiện
với môi trường do môi chất lạnh và hơi nước không thải ra không khí. Những ưu điểm nổi bật
cũng như đặc thù của sấy bơm nhiệt ngày càng thúc đẩy các nhà khoa học tập trung đi vào

9

nghiên cứu về lĩnh vực này theo các hướng và mục tiêu khác nhau.
a) Các nghiên cứu ngoài nước
Từ rất sớm (1950) ở Mỹ người ta đã xây dựng một thí nghiệm sấy hạt nông sản bằng
bơm nhiệt [4]. Nhiệt độ buồng sấy, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi v.v… cũng như độ ẩm không
khí được giám sát và khống chế chặt chẽ. Buồng sấy là một phòng rộng 1,3 m2 để chứa hạt
nông sản. Bơm nhiệt có công suất máy nén 570W, môi chất R12. Quạt gió ly tâm công suất
380W để tuần hoàn gió. Hệ thống có lắp đặt một mạng ống nước để điều chỉnh nhiệt độ sấy.
Quá trình sấy kết thúc khi hạt ngũ cốc đạt thủy phần khoảng 12 %. Nhiệt độ sấy từ 43 ÷ 54
°C; tốc độ gió từ 550 ÷ 2000 m3/h. Ở tốc độ gió 800 ÷ 1000m3/h giá thành đạt cực tiểu. Tiêu
tốn năng lượng cho 1kg ẩm ở nhiệt độ 43 °C là 0,28 kWh/kg, ở 54 °C là 0,27 kWh/kg. Nếu so
sánh với những bơm nhiệt sấy và hút ẩm ngày nay bán rộng rãi trên thị trường thì hệ số bơm
nhiệt của nó cũng vào loại rất cao. Kết luận công trình nghiên cứu, tác giả đưa ra rất nhiều ưu
điểm nhưng nhược điểm là vốn đầu tư khá cao cho bơm nhiệt.
Một trong những ứng dụng đầu tiên của bơm nhiệt vào công nghiệp sấy trên phạm vi
thương mại là sử dụng bơm nhiệt để sấy gỗ. Nhiệt độ sấy và độ ẩm là những thông số rất quan
trọng đảm bảo chất lượng gỗ. Hãng Westair đã nghiên cứu và sản xuất bơm nhiệt cho mục
đích này. Các công trình nghiên cứu được tiến hành hàng chục năm với hàng chục ngàn bộ
thiết bị lắp đặt trên toàn thế giới. Một kiểu lắp đặt đặc biệt của bơm nhiệt Westair được mô tả
trên hình 1.4.
Q u¹t giã

G i¸ g ç
B ¬m
n hiÖt
h ót
Èm

Hình 1.4. Một buồng sấy gỗ bằng bơm nhiệt của hãng Westair
Một số công trình nghiên cứu gần đây về sấy bơm nhiệt đã công bố được nêu trong bảng 1.1

10


Bảng 1.1. Các nghiên cứu về sấy bơm nhiệt gần đây của các tác giả trên thế giới
Nguồn

Quốc gia

Vật liệu sấy
Nông sản và hải sản (nấm, trái

K. Chou, K. Chua (1998)

Singapore

Carington (1996), Sun (1996)

New Zealand

Gỗ tấm

Thailand

Sấy nông sản (chuối)

Mason và Blarcom (1993)

Australia

Đá

Meyer và Greyvenstein (1992)

Nam Phi

Các loại hạt

Rossi (1992)

Brazil

Rau củ (hành tây)

Nassikas và cộng sự (1992)

Hy Lạp

Giấy báo

Strommen and Krammer (1994)

Na Uy

Hải sản (cá)

Prasertsan (1997); Prasertsan và
Saen-saby (1998)

cây, rong biển, sò)

Trong [22], các tác giả tiến hành nghiên cứu sấy lá linh lăng, ngải cứu, bạc hà, bồ công
anh, cà rốt, sâm… Nhiệt độ TNS khi vào buồng sấy là 30°C và 35°C. Dựa vào tiêu hao năng
lượng, các tác giả cũng đã kết luận việc sấy bằng bơm nhiệt đã tiết kiệm 22% năng lượng và
65% thời gian so với việc sấy bằng điện trở ở cùng nhiệt độ…
Ngoài ra còn có rất nhiều công trình khác về sấy bơm nhiệt với các loại sản phẩm sấy
khác nhau. Các nghiên cứu trên đây gồm có cả lý thuyết và mô hình thực nghiệm nhằm tìm ra
các quy luật truyền nhiệt, truyền chất, trong từng giai đoạn sấy, đánh giá ảnh hưởng của các
thông số TNS như tốc độ, nhiệt độ, độ ẩm, lượng bypass… đến khả năng tách ẩm, chất lượng
sản phẩm, tiêu hao năng lượng… cũng như tìm ra chế độ sấy hợp lý cho từng loại sản phẩm.
b) Các nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, trong những năm gần đây lĩnh vực sấy sử dụng bơm nhiệt cũng đã thu
được những kết quả nhất định. Các kết quả được nghiên cứu áp dụng cho điều kiện Việt Nam;
vật liệu sấy là các nông sản tại Việt Nam, chế độ sấy thường là không thay đổi.

11


Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy [10], nghiên cứu và chuyển giao công nghệ sấy kẹo
Jelly tại công ty bánh kẹo Hải Hà bằng phương pháp sấy lạnh dùng bơm nhiệt. Và hiệu quả
của công nghệ được đánh giá như sau:
+ Có thể điều chỉnh được nhiệt độ sấy từ 20 ÷ 250C.
+ Độ ẩm cùa không khí vào buồng có thể đạt φ = 23% hoàn toàn đáp ứng chỉ tiêu sấy
lạnh của sản phẩm, trong khi độ ẩm bên ngoài là 85%
Giá đầu tư buồng sấy chỉ bằng 50% so với phương pháp cũ (dùng chất hút ẩm
silicagel)
+ Giá vận hành chỉ bằng khoảng 70%
+ Không phải thay thế, tái sinh chất hút ẩm.
+ Có khả năng tự động hóa hoàn toàn quá trình khống chế nhiệt độ và độ ẩm của
buồng sấy.

Phạm Văn Tùy cùng các cộng sự [11], nghiên cứu và chế tạo thành công máy sấy lạnh
hút ẩm đa năng và ứng dụng sấy một số sản phẩm như: cà rốt, củ cải, hành lá, thì là... Kết quả
được các sản phẩm sau khi sấy vẫn giữ nguyên màu tự nhiên dù đã sấy khô, hàm lượng
vitamin C ở mức cao hơn hẳn so với các sản phẩm rau quả sấy bằng không khí nóng.
Bảng 1.2. So sánh chất lượng thực phẩm sấy bằng công nghệ sấy lạnh so với các công
nghệ sấy truyền thống.
Nguyên
liệu

Cà rốt

Củ cải

Hành lá

Phương pháp sấy

Nhận xét chất lượng
cảm quan

Hàm lượng
vitamin C,
%
-

Độ ẩm
cuối,
%
5,7

Sấy bằng không khí nóng

Đỏ tối, kém thẳng

Sấy bằng hống ngoại

Đỏ bóng, kém thẳng

-

5,6

Sấy lạnh bơm nhiệt

Đỏ tự nhiên, bóng thẳng

-

6,6

Sấy bằng không khí nóng

Xanh tối, xốp, kém thơm

32

5,0

Sấy bằng hống ngoại

Trắng ngà hơi đậm, khá xốp

40

5,2

Sấy lạnh bơm nhiệt

Trắng ngà, thẳng xốp

64

6,1

Sấy lạnh bằng khí nóng

Xanh tối, xốp, khá thơm

27

6,0

Sấy bằng hồng ngoại

Xanh thẫm, xốp, thơm

54

5,2

12


Một số đề tài nghiên cứu khác đi vào hướng tối ưu chế độ sấy dựa trên một hệ thống sấy
sẵn có [13]; phân tích hiệu quả làm việc của hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh hay đặc tính động
học của một quá trình xảy ra trong hệ thống [14], [15].
Chung quy lại, các hướng nghiên cứu đều tập trung vào mục đích làm cho hệ thống bơm
nhiệt ngày càng tiết kiệm hơn nữa, ngày càng đa dạng hơn, sản phẩm sấy chất lượng ngày
càng tốt hơn, đáp ứng được nhiều nhu cầu công nghệ khác nhau.
1.4. Vấn đề thay đổi thông số TNS
Hiện nay, vấn đề tiết kiệm năng lượng đang đặt ra vô cùng cấp thiết. Sấy là một trong
những công đoạn tiêu thụ nhiều năng lượng nhất trong dây chuyền bảo quản cũng như chế
biến sản phẩm. Các phương pháp sấy nóng truyền thống (sấy đối lưu, sấy tiếp xúc,…) thường
sử dụng không khí ngoài môi trường làm TNS đồng thời là tác nhân thải ẩm, chế độ sấy
thường phải duy trì ổn định. Do đó, năng lượng tiêu thụ cho hệ thống tương đối lớn dẫn đến
tiêu thụ năng lượng trên một đơn vị sản phẩm cao. Ngoài ra, do nhiệt độ vào buồng sấy lớn
nên các phương pháp này không áp dụng được với những vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ.
Phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt đã được nghiên cứu và ứng dụng phổ biến ở nhiều nước
trên thế giới vì những ưu điểm vượt trội của nó về mặt tiết kiệm năng lượng, nâng cao chất
lượng sản phẩm so với các phương pháp sấy bằng khí nóng thông thường. Tuy nhiên, nhược
điểm của phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt truyền thống là đầu tư ban đầu cao, công nghệ
vận hành phức tạp và phải sử dụng điện là nguồn năng lượng cao cấp.
Những nghiên cứu gần đây về công nghệ sấy gián đoạn trên các HTS khác nhau đã cho
thấy hiệu quả của nó về mặt tiết kiệm năng lượng, nâng cao chất lượng sản phẩm. Việc áp
dụng sấy gián đoạn theo mẻ bằng bơm nhiệt là rất có khả năng áp dụng và có thể áp dụng phổ
biến trong điều kiện nước ta. Những phương pháp và cách thức tổ chức sấy gián đoạn
được nói rõ hơn trong chương 2.
1.5. Tổng quát các nội dung nghiên cứu của luận văn
1.5.1 Mục đích nghiên cứu của luận văn
Mục tiêu của đề tài là xây dựng và hoàn thiện mô hình để tiến hành các nghiên cứu thực

nghiệm sấy gián đoạn trên hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi với các nội dung cơ bản:

13


giới thiệu quy trình sấy gián đoạn đồng thời tiến hành nghiên cứu sấy gián đoạn theo mẻ, hoàn
thiện mô hình hệ thống, thực nghiệm sấy và từ đó đề xuất các hướng nghiên cứu mới về công
nghệ sấy gián đoạn đang còn tương đối mới mẻ trên thế giới và chưa được xem xét nghiên
cứu tại Việt Nam.
1.5.2 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài tập trung vào hai nội dung chính đó là:
- Xây dựng và hoàn thiện mô hình hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi.
- Sấy gián đoạn theo mẻ trên hệ thống sấy bơm nhiệt vừa hoàn thiện.
1.5.3 Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng các phương pháp: phân tích, tổng hợp số liệu; sử dụng tài liệu…

14