NGHIÊN cứu THIẾT bị sấy KIỂU QUAY DÙNG NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI

NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ SẤY KIỂU QUAY DÙNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Hoàng Dương Hùng
Trường Đại học Quảng Bình
Hoàng Minh Tuấn
Trường Cao đẳng Công nghiệp Huế
Tóm tắt: Ngày nay, cùng với tiến trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa trên toàn thế giới, nhu cầu
năng lượng của con người ngày càng tăng cao. Trong đó, năng lượng mặt trời (NLMT) là một nguồn
năng lượng sạch được xem là dồi dào và tiềm năng. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị
sấy sử dụng NLMT và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự. Hiện nay, trong
nước và trên thế giới đã nghiên cứu, chế tạo một số thiết bị sấy NLMT như: nhà sấy, hộp sấy, ván sấy, tủ
sấy, hầm sấy NLMT sử dụng collector phẳng... Tuy nhiên, hiệu suất chưa cao, chất lượng sản phẩm sấy
vẫn chưa đảm bảo. Bài báo này đưa ra kết quả nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm thiết bị sấy kiểu quay sử
dụng NLMT với hiệu quả cao, sấy đều, đảm bảo chất lượng sản phẩm sấy và có thể ứng dụng để sấy một
số loại nông sản trong thực tế.

1. MỞ ĐẦU
Từ trước đến nay ở nước ta, trong khâu phơi sấy nông sản, bà con nông dân thường sử dụng
dạng hong phơi tự nhiên trực tiếp dưới ánh nắng mặt trời. Đây là phương pháp đơn giản với chi
phí thấp, phù hợp với điều kiện của nước ta. Tuy nhiên phương pháp này có nhiều hạn chế như
sản phẩm khô không đồng đều, lẫn tạp chất do điều kiện sân phơi, có thể bị các loài động vật phá
hoại và phụ thuộc vào thời tiết.
Hiện nay các nhà khoa học trong và ngoài nước đã nghiên cứu và ứng dụng NLMT để gia
nhiệt bằng bộ thu phẳng, … cho các thiết bị sấy nông sản nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng bức
xạ mặt trời, đảm bảo năng suất và chất lượng của sản phẩm sấy, nhưng bên cạnh đó còn tồn tại
một số yếu điểm cần khắc phục. Với những lý do đó, việc nghiên cứu, chế tạo thiết bị sấy kiểu
quay dùng NLMT với hiệu quả sấy cao, sấy đều, rút ngắn thời gian sấy và đảm bảo chất lượng
sản phẩm sấy cao là mục đích của nghiên cứu này.
2. THIẾT BỊ KIỂU QUAY DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1. Mô tả thiết bị
Đây là loại máy sấy NLMT được sử dụng để sấy khô nông sản với quy mô hộ gia đình

và sản xuất nhỏ. Các bộ phận chính máy sấy kiểu quay dùng NLMT bao gồm một bộ thu
NLMT, một ống hấp thụ bên ngoài được bao phủ bởi một ống kính, động cơ, khung đỡ, … bố
trí như mô tả ở hình 1. Ống hấp thụ được sơn đen có chiều dài


L = 1,2m và đường kính D = 0,4m. Vật liệu sấy cấp vào thùng sấy qua cửa (6) rồi được các cánh
dẫn hướng vào thùng sấy. Nhiệt độ dùng để sấy tạo ra do parabol thu bức xạ NLMT sau đó phản
xạ qua tấm kính vào ống hấp thụ và
ống hấp thụ làm nóng không khí bên
trong. Không khí nóng trao đổi nhiệt
và trao đổi chất với vật liệu cần sấy,
quá trình trao đổi được tăng lên nhờ
chuyển động quay của ống hấp thụ
và các cánh đảo bên trong. Hơi ẩm
trong vật liệu sấy thoát ra và được
quạt hút ra ngoài qua đường thoát
ẩm. Vật liệu sau khi sấy đảm bảo
đúng độ ẩm được đưa ra ngoài qua
cửa (7). Tốc độ quay của máy sấy
khoảng 10 ÷ 15 vòng/phút.
Hình 1. Thiết bị sấy kiểu quay dùng năng lượng mặt trời
1. Gương Parabol
4. Động cơ
7. Vật liệu ra

2. Ống kính
3. Ống hấp thụ
5. Khung đỡ
6. Vật liệu vào
8. Không khí vào

2.2. Tính
toán nhiệt hệ
thống thiết bị
2.2.1. Truyền

nhiệt từ ống kính đến môi trường
a. Dòng nhiệt đối lưu
Tổn thất nhiệt đối lưu từ ống kính ra môi trường là lớn nhất và đặc biệt
nếu có gió được tính bởi công thức Newton [7]:
Q56conv = k56.lk . .D5 .(T5  T6 )

Trong đó: T5
T6
k56

56
D5
NuD5

(1)

k56 =

(2)
: nhiệt độ bề mặt bên ngoài ống kính, K
: nhiệt độ môi trường, K

56
D5

Hình 2. Cân bằng năng lượng
một chiều của thiết bị

.Nu D 5

T5  T6 

W
2
m 2 .K
T  T6  W
: hệ số dẫn nhiệt đối lưu không khí tại 5
,
m.K
2
: đường kính bên ngoài ống kính, m
: số Nusselt trung bình dựa trên đường kính ngoài ống kính

: hệ số truyền nhiệt đối lưu không khí tại

,


b. Dòng nhiệt bức xạ. Q57rad =  .D5 . .l k . 5 .(T54  T74 )
W
m .K 4
: hệ số phát xạ bề mặt ngoài ống kính

: hệ số Stefan - Boltzmann,

5

Trong đó: 

(3)

2

T7
: nhiệt độ hiệu quả bầu trời, K
2.2.2. Hấp thụ bức xạ mặt trời qua ống kính
a. Hấp thụ bức xạ mặt trời trong ống kính
Q5SolAbs = q si . e . e . Ac

Với:

(4)

 e   1' . 2' . 3' . 4' . 5' . 6' . cl .K

(5)

Trong đó: Q5SolAbs: năng lượng hấp thụ bức xạ mặt trời trong ống kính, W
W
qsi
: năng lượng bức xạ mặt trời, 2
m
e
: hiệu suất quang học của ống kính

e

: hệ số hấp thụ của ống kính

K
: hệ số thay đổi góc tới
Ac
: diện tích hấp thụ của ống kính, m2
b. Hấp thụ bức xạ mặt trời trong ống hấp thụ
Q3SolAbs = q si . a . a . Aa

 a   e . e

Với:

(6)
(7)

Trong đó:

a

: hệ số hiệu quả quang học của ống hấp thụ

a

: hệ số hấp thụ của ống hấp thụ

e

: độ truyền qua ống kính

Aa
: diện tích hấp thụ của ống hấp thụ, m2
2.2.3. Truyền nhiệt từ ống hấp thụ ra ngoài môi trường
Tương tự như mục 2.2.1 xác định được dòng nhiệt đối lưu Q36conv và dòng nhiệt bức xạ Q37rad.
2.2.4. Dòng nhiệt dẫn qua nắp hai đầu ống hấp thụ ra ngoài môi trường
Dòng nhiệt dẫn qua nắp phẳng ở hai đầu ống hấp thụ được tính [5]:
Qcond,c =

e
de

. Ae .T

(8)

Trong đó:

Qcond,c : dòng nhiệt dẫn qua nắp hai đầu ống hấp thụ ra ngoài môi trường, W


e : hệ số dẫn nhiệt của nắp,
de

: chiều dày của nắp, m

Ae

: diện tích của nắp, m2

T

: độ chênh nhiệt độ, K

2
 = 100%

t2
t1
O

suất

d, g/kg

d1 = d i d2

(9)

Để dự đoán lượng nhiệt sử dụng cho lò
dùng NLMT ta có phương trình cân bằng
lượng: Qprod = Qin - Qheatloss
Với:
đó:

i
ti

Từ các tính toán ở mục trên ta có công
tối đa của hệ thống sấy bằng NLMT:
Qin = Q5SolAbs + Q3SolAbs

I, kJ/kg

W
m.K

Hình 3: Đồ thị I-d tính toán quá trình sấy

Qheatloss = Q57rad + Q56conv + Q36conv + Q37rad + Qcond,c

(10)

Qprod

: công suất của thiết bị sấy quay dùng năng lượng mặt trời, W

Qin

: công suất tối đa của thiết bị sấy quay dùng năng lượng mặt trời, W

sấy
năng
Trong

Qheatloss: tổn thất nhiệt của thiết bị sấy quay dùng năng lượng mặt trời, W
Hiệu suất lý thuyết của thiết bị sấy quay dùng NLMT được tính [5]:
Q prod

(11)
 th 
Qin
3. TÍNH HIỆU SUẤT NHIỆT THIẾT BỊ SẤY THÓC KIỂU QUAY DÙNG NLMT

Khối lượng thóc khô hoàn toàn được tính theo [4]:
mG1 = mGK(1+ X0), kg ẩm
mG1 : khối lượng thóc ẩm ban đầu, kg ẩm

(12)

mGK

: khối lượng thóc khô hoàn toàn, kg

X0

: độ ẩm tuyệt đối ban đầu của thóc, %

Trong

đó:

Khối lượng thóc sau khi ra khỏi thùng sấy được tính theo [4]:
mG2 = mGK(1+ X1), kg ẩm
Với:X1

(13)

: độ ẩm tuyệt đối cuối của thóc, %

tách ra trong một giờ được tính theo công thức:
bay hơi ẩm từ thóc

Lượng ẩm
mv =

mW



3.1. Lượng nhiệt làm


Q1 = mv.ΔHW, kJ/h
Trong đó:

(14)

mv

: lượng ẩm tách ra trong một giờ, kg ẩm/h

ΔHW

: lượng nhiệt bay hơi của ẩm, kJ/kg

3.2. Lượng nhiệt làm bay hơi không khí có nhiệt độ nhiệt kế ướt vào và ra khỏi thùng sấy
Q2 = mv.Cph.(T2 - TW), kJ/h
Với:Cph

(15)

: nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kg độ
T2

: nhiệt độ ra của không khí, oC

TW

: nhiệt độ nhiệt kế ướt vào của không khí, oC

3.3. Lượng nhiệt làm cho nước bay hơi từ nhiệt ban đầu của thóc đến nhiệt độ nhiệt kế ướt
đầu vào của không khí
Q3 = mv.Cpw.(TW – Tm1), kJ/kg
Trong đó: Cpw
Tm1

(15)

: nhiệt dung riêng của nước, kJ/kg độ
: nhiệt độ ban đầu của thóc, oC

3.4. Lượng nhiệt dùng để sấy thóc ứng với nhiệt độ đầu vào và ra
Q4 = mGK.Cps.(Tm2 - Tm1), kJ/kg
Với:

(17)

Cps : nhiệt dung riêng của thóc, kJ/kg độ

Tm2 : nhiệt độ ra của thóc, oC

3.5. Lượng nhiệt dùng để sấy khô hơi ẩm còn lại trong sản phẩm cuối cùng từ nhiệt độ đầu
vào đến nhiệt độ đầu ra của thóc
Q5 = mGK.X1.Cpw.(Tm2 - Tm1), kJ/kg
lượng nhiệt truyền cho sản phẩm được tính [4]:
Q = (1 + α).(Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5), kJ/kg

(18)

Toàn bộ

(19)

Với α là hệ số đại diện cho tổn thất nhiệt do sự dẫn nhiệt giữa về mặt bên ngoài máy sấy và
không khí, đặc biệt là sự bức xạ nhiệt.
Lưu lượng không khí G cần để truyền lượng nhiệt hữu ích cho máy sấy là:
G=

Q
, kg/h
C pk .Ti  T2 

(20)

Để làm nóng không khí, phải chế tạo bộ thu năng lượng mặt trời hấp thụ bức xạ. Sự tải nhiệt
của nó cho việc làm nóng dòng khí từ nhiệt độ không khí ban đầu T1 đến nhiệt độ không khí
trong máy sấy Ti, được tính toán bởi công thức [4]:
Qh = G.Cpk.(Ti – T0), kJ/h
Hiệu suất nhiệt của máy sấy thóc là:  th 

(21)

Q1  Q2  Q3  Q4  Q5
Qh

(22)


4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM

4.1. Đo đạc và vẽ biểu đồ phân bố nhiệt độ của hệ thống theo thời gian
Các số liệu sau được đo nhiều ngày vào mùa hè, nhiệt độ ngày đo cao nhất tại Huế là 38,7oC,
thấp nhất là 22,7oC, nhiệt độ trung bình 29oC, trời không mây, gió nhẹ. Thời gian đo trong ngày
từ 8h đến 16h.
4.2. Kết quả thí nghiệm sấy lúa trên mô hình thiết bị sấy kiểu quay dùng NLMT

Hình 4: Mô hình máy sấy nông sản kiểu quay dùng NLMT

110

900

100

800

90

700

80

600

70

500

60

400

50

300

40

200

30

100

20

0

30.00%

25.00%
20.00%
Độ ẩm

1000
Cường độ bức xạ, W/m2

120

Mẻ 1

15.00%

Nhiệt độ môi trường (oC)

10.00%

Nhiệt độ không khí trong
thùng sấy (oC)

5.00%

Mẻ 2
Mẻ 3

Cường độ BXMT (W/m2)

0.00%
8h
00

8h
30
9h
00
9h
3
10 0
h0
10 0
h3
11 0
h0
11 0
h3
12 0
h0
12 0
h3
13 0
h0
13 0
h3
14 0
h0
14 0
h3
15 0
h0
15 0
h3

16 0
h0
0

Nhiệt độ, oC

Sau khi chế tạo hoàn thành mô hình thiết bị sấy kiểu quay dùng năng lượng mặt trời, chúng
tôi đã thí nghiệm mô hình với sản phẩm sấy là lúa tươi (giống lúa Khang Dân). Qua gần hai
tháng thử nghiệm với các thông số được thể hiện trong bảng (4.1).

0h

1h

2h

3h

4h

5h

6h

7h

Thời gian

Hình 5. Nhiệt độ thùng sấy phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và BXMT
Đường cong giảm ẩm theo thời gian của từng mẻ sấy

Bảng 4.1. Kết quả thực nghiệm quá trình sấy thóc

8h


Địa điểm: Khoa Nhiệt lạnh - Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Huế
Thời gian: Tháng 5, 6 năm 2011
Số thí nghiệm

Mẻ 1

Mẻ 2

Mẻ 3

56  3, oC
28oC

65 3, oC
34oC

70 3, oC
36oC

80%
11 - 5 8:00h
8h
26,7%
13,6%

76%
01 - 6 8:00h
6h
26%
13%

75%
08 - 6 8:00h
5h
25,9%
12,1%

Trọng lượng lúa ban đầu
Trọng lượng lúa sau khi sấy
Công suất động cơ
Độ nứt hạt trước sấy

50kg
42,3kg
430W
12,00%

50kg
41,5kg
430W
12,00%

50kg
40,7kg

430W
12,00%

Độ nứt hạt sau sấy
Độ nứt hạt, phơi nắng

13,75%
17,80%

14,00%
17,80%

14,75%
17,80%

Nhiệt độ sấy
Nhiệt độ môi trường
Độ ẩm môi trường
Thời gian bắt đầu
Thời gian sấy
Ẩm độ đầu
Ẩm độ cuối

4.3. Đánh giá hiệu suất hệ thống
Bảng 4.2. Thông số kích thước, nhiệt độ, vật lý và quang học của hệ thống

Tên thông số

Ký hiệu

Giá trị

Đơn vị

Đường kính ống hấp thụ

D3

0,4

M

Đường kính ống kính
Chiều dài ống hấp thụ
Chiều dài ống kính
Chiều dài ống hấp thụ không có kính

D5
l
lk
lkc

0,5
1,2
1,2
0,75

M
M
M

M

Hiệu suất quang học của ống kính
Độ truyền qua ống kính
Hệ số phát xạ bề mặt ống kính
Hệ số phát xạ bề mặt ngoài ống hấp thụ
Nhiệt độ bề mặt ngoài ống kính
Nhiệt độ bề mặt ngoài ống hấp thụ
Nhiệt độ hiệu quả mặt trời
Hệ số dẫn nhiệt của nắp (có cách nhiệt)

ηe
τe
ε5
ε3
T5
T3
T7

%

e

0,74
0,969
0,86
0,052
309
341
283

0,027

Chiều dày của nắp hai đầu ống hấp thụ

de

0,08

K
K
K
W
m.K
M


Cường độ bức xạ mặt trời

qsi

900

W
m2

Với những thông số đo được trong quá trình thực nghiệm. Thay vào công thức (1) và (3) ta
tính được tổn thất bức xạ Q57rad = 231,43W, Q37rad = 19,23W. Tổng tổn thất nhiệt do dẫn nhiệt
qua nắp ở hai đầu ống hấp thụ Qcond,c = 3,06W. Giả sử ở đây không có tổn thất nhiệt do đối lưu (

Qconv = 0). Tính được lượng nhiệt mà thiết bị sấy kiểu quay dùng NLMT sản xuất được Q prod =

707,8W. Từ đó tính được hiệu suất nhiệt lý thuyết của thiết bị sấy ηth = 73,6%.
5. KẾT LUẬN
Qua quá trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, chúng tôi đã khảo sát thực nghiệm sấy
lúa tươi trên thiết bị, qua đó xác định được các thông số chính của quá trình sấy: quy luật thay
đổi nhiệt độ, độ ẩm của thiết bị và sản phẩm sấy theo thời gian. Kết quả cho thấy sử dụng thiết bị
sấy kiểu quay dùng NLMT có thể giảm được nhân công phục vụ cho công tác sấy, giảm được
tổn thất trong quá trình sấy so với phơi nắng tự nhiên và thiết bị sấy đối lưu tự nhiên bằng
collector phẳng, đặc biệt là tăng được tốc độ sấy, giảm thời gian sấy và đảm bảo chất lượng sảm
phẩm sấy cao. Ngoài ra thiết bị sấy kiểu quay này có thể sấy được các loại hạt nông sản khác
nhau. Không những thế khi gặp thời tiết không thuận lợi thiết bị này có thể sấy khô sản phẩm
bằng các nguồn năng phụ trợ lượng khác.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Hoàng Dương Hùng (2007), Năng lượng Mặt trời lý thuyết và ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà
Nội.

[2] Hoàng Đình Tín (2001), Truyền nhiệt và tính toán thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà
Nội.

[3] Anthony F. Mills, Heat and Mass Transfer (1995), University of California at Los Angeles.
[4] Arun S. Mujumdar (2006), Handbook of Industrial Drying, Taylor and Francis Group, LLC.
[5] Jeroen van Luijtelaer. BSc, (2006), The Rotating Solar Boiler, Delft University of Technology.
[6] John A. Duffie, William A. Beckman (1991), Solar Engineering of Thermal Processes, A Wiley – Interscience
Publication.

[7] R. Forristall (2003), Heat Transfer Analysis and Modeling of a Parabolic Through Solar Receiver Implemented
in Engineering Equation Solver, NREL.


STUDY ON ROTATING DRYER USING SOLAR ENERGY
Hoang Duong Hung

Quang Binh University
Hoang Minh Tuan
Hue Industrial College
Abstract: Nowadays, along with the process of industrialization and modernization all over the
world, energy demands of human increase rapidly. In particular, solar energy is a clean source of energy
which is considered to be abundant and potential source. Therefore, the study of improving the efficiency
of solar energy dryers and applying them into reality is an important duty. There are many domestic and
international research results which study on solar energy dryers using plane collector such as: drying
houses, drying boxes, drying boards, drying cabinets, drying tunnel… However, the performance is not
high and the product quality is not good. This article shows the results of research and experimental
manufacture on rotating dryers which using solar energy with high efficiency, steady drying and good
quality and can apply for many agricultural products.