TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY CA CAO SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NĂNG SUẤT 110 KG HẠT ƯỚTMẺ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ & CƠNG NGHỆ

KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ
HỆ THỐNG SẤY CA CAO SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
NĂNG SUẤT 110 KG HẠT ƯỚT/MẺ

Họ và tên sinh viên: Dương Hải
Nguyễn Thái Hiền
Ngành: Công nghệ nhiệt lạnh
Niên khóa: 2005 - 2009

Tháng 6/2009.


TÍNH TỐN, THIẾT KẾ
HỆ THỐNG SẤY CA CAO SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
NĂNG SUẤT 110 KG HẠT ƯỚT/MẺ

Tác giả

DƯƠNG HẢI
NGUYỄN THÁI HIỀN

Khóa luận được đề trình để đáp ứng yêu cầu
cấp bằng Kỹ sư ngành Công nghệ nhiệt lạnh

Giáo viên hướng dẫn:

Thạc sỹ Lê Quang Giảng
Kỹ sư Nguyễn Đức Khuyến

Tháng 6/2009.
i


LỜI CẢM TẠ
Chúng con xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất đến gia đình, người thân đã ln động viên,
giúp đỡ chúng con trong suốt quá trình học tập tại trường Đại học Nơng Lâm Tp. Hồ
Chí Minh!
Chúng em xin chân thành cảm ơn:
9 Ban giám hiệu trường Đại học Nơng Lâm Tp. Hồ Chí Minh.
9 Ban chủ nhiệm khoa Cơ khí - Cơng nghệ Trường Đại học Nơng Lâm Tp. Hồ
Chí Minh. Cùng các thầy trong Bộ mơn Công nghệ nhiệt lạnh.
9 Đặc biệt là Th.S Lê Quang Giảng, K.S Nguyễn Đức Khuyến đã tận tình hướng
dẫn cho chúng em thực hiện đề tài này.
9 T.S Phạm Hồng Đức Phước cùng các cô, chú tại vườn ca cao trường Đại Học
Nơng Lâm Tp. Hồ Chí Minh, Th.S Nguyễn Hùng Tâm thuộc khoa Cơ khí Cơng
nghệ đã tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em thực hiện đề tài.
9 Thầy Nguyễn Xuân Phong trường Đại Học Cần Thơ đã cung cấp một số thông
tin rất quan trọng trong quá trình thực hiện đề tài.
9 Tồn thể thầy cơ trong Trung tâm Công nghệ & Thiết bị nhiệt lạnh, Trung tâm
Năng Lượng & Máy Nông Nghiệp.
9 Đồng thời gửi lời cảm ơn đến tất cả bạn sinh viên đã giúp đỡ chúng tôi thực
hiện đề tài.

ii

TÍNH TỐN, THIẾT KẾ
HỆ THỐNG SẤY CA CAO SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
NĂNG SUẤT 110 KG HẠT ƯỚT/MẺ
Giáo viên hướng dẫn:

Sinh viên thực hiện:

Th.S. Lê Quang Giảng

Dương Hải

Ks. Nguyễn Đức Khuyến

Nguyễn Thái Hiền

TĨM TẮT
Mục đích của đề tài
Khảo nghiệm hệ thống sấy ca cao có sẵn và tính tốn, thiết kế hệ thống sấy ca cao
với năng suất 110kg/mẻ nhằm nâng cao chất lượng hạt sau khi sấy và hiệu quả kinh tế.
Nội dung đã thực hiện
9 Tìm hiểu quy trình sơ chế hạt ca cao.
9 Khảo nghiệm sấy hạt ca cao bằng lò sấy ca cao sử dụng năng lượng mặt trời có
sẵn và bằng phương pháp phơi nắng truyền thống để xác định: các thông số kỹ
thuật và hiệu quả kinh tế.
9 Tính tốn, thiết kế lị sấy ca cao sử dụng năng lượng mặt trời với năng suất 110
kg tươi/mẻ.
Kết quả thực hiện
Đề tài được thực hiện tại vườn ca cao trường Đại học Nông Lâm Tp.HCM.
Thời gian từ ngày 08/04 đến ngày 05/05/2009.

iii


Kết quả khảo nghiệm: Sau khi thực hiện khảo nghiệm sấy 2 mẻ hạt ca cao với lị sấy
có sẵn với năng suất 80kg/mẻ và điều kiện thời tiết không thuận lợi cho việc phơi sấy
thì thu được các kết quả như sau:
9 Thời gian sấy hạt : 5 - 6 ngày từ ẩm độ 55 % đến 7.7 %.
9 Thời gian phơi hạt: 9 ngày từ ẩm độ 55 % đến 7.7 %.
9 Chất lượng hạt sấy bằng lò sấy được đánh giá tốt hơn so với hạt phơi nắng.
9 Nhiệt độ đá cao hơn nhiệt độ môi trường trong khoảng: 4 – 20.5 oC
9 Nhiệt độ buồng sấy cao hơn nhiệt độ môi trường trong khoảng: 4 -13 oC
Kết quả tính tốn, thiết kế: Đã tính tốn thiết kế hệ thống sấy sử dụng năng lượng
mặt trời với năng suất 110kg hạt ướt/mẻ, với thời gian sấy là 120 giờ (5 ngày đêm).
Kích thước bố trí lị sấy là 5.79 m*2.522 m. Tổng thể tích hai bộ thu và trữ nhiệt là 5.2
m3, với mỗi bên là 2.6 m3 đá.
Với kết quả của q trình khảo nghiệm, tính toán và thiết kế như trên với mong
muốn đưa hệ thống sấy vào ứng dụng rộng rãi trong thực tế và có thể thay thế dần cho
phương pháp phơi nắng truyền thống nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế cho bà con nông
dân.


CALCULATING AND DESIGNING
OF A 110KGS FRESH BEAN PER BATCH
SOLAR COCOA BEAN DRYER
Supervisor:

Student:

MSc. Le Quang Giang

Duong Hai

Eng. Nguyen Duc Khuyen

Nguyen Thai Hien

SUMMARY
Objective
Testing of a available solar cocoa bean dryer and calculating, designing of a 110kg
fresh bean per batch solar cocoa bean dryer to replace the traditional sun-drying
method and improve the economic effect.
Executed contents
9 Researching about the preliminary cocoa bean treatment processing.
9 Drying of a cocoa bean by the available solar dryer and the traditional method
to determine: the technical elements and the economic effect.
9 Calculating and designing of a 110kgs fresh bean/batch solar cocoa bean dryer.
Result
This thesis was executed in the cocoa garden of Nong Lam University, TPHCM.
Drying time: from 08/04/2009 to 05/05/2009.


Testing results: After cocoa bean drying of two batchs by the available solar dryer
with capacity 80kgs/batch, and the badly weather conditions. The following results are
obtained:
9 Time of drying by the solar dryer: 5 - 6 days from moisture level 55 % to 7.7 %.
9 Time of sun-drying: 9 days from moisture level 55 % to 7.7 %.
9 The quality of solar dried beans are estimated better than sun-dried beans.
9 The different temperature between stones and ambient temperature: 4 – 20.5 oC.
9 The different temperature between drying room and ambient temperature: 4 -13
o

C

Calculating and designing results: a 110kgs fresh bean/batch solar cocoa bean dryer
was calculated and designed. With drying time is 120 hours ( 5 days), arrangement
dimension is 5.79 m*2.522 m. Stone volume of 5.2 m3, with one side of 2.6 m3 stones.
With the obtained results of testing, calculating and designing processing, we hope
that the solar cocoa bean drier will be widely applied in practice and gradually
replace for the traditional sun-drying method to raise the economic effect for tillers.


MỤC LỤC
Trang
Trang tựa..........................................................................................................................1
Lời cảm tạ ........................................................................................................................1
Tóm tắt.............................................................................................................................1
Mục lục............................................................................................................................1
Danh sách các chữ viết tắt ...............................................................................................1
Danh sách các hình..........................................................................................................1
Danh sách các bảng .........................................................................................................1
Danh sách đồ thị ..............................................................................................................1
Chương 1 ........................................................................................................................1
MỞ ĐẦU.........................................................................................................................1
1.1. Dẫn nhập...............................................................................................................1
1.2. Mục đích đề tài .....................................................................................................2
1.2.1. Mục đích chung .............................................................................................2
1.2.2. Mục đích cụ thể .............................................................................................2
Chương 2 ........................................................................................................................3
TỔNG QUAN.................................................................................................................3
2.1. Nguồn gốc, bản chất nguồn năng lượng mặt trời .................................................3

2.2. Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới ...........................................4
2.3. Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta...............................................5
2.3.1. Tình hình phân bố bức xạ và giờ nắng trong nước........................................5
2.3.2. Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trong nước ......................................6
2.4. Các ưu thế của việc sử dụng năng lượng mặt trời ................................................7
2.5. Cơ sở lý thuyết sấy ...............................................................................................7
2.5.1. Khái niệm ......................................................................................................7
2.5.2. Ẩm độ hạt ......................................................................................................7

iv


2.5.3. Bản chất của quá trình sấy.............................................................................8
2.5.4. Nguyên tắc của quá trình sấy.........................................................................8
2.6. Các phương pháp sấy............................................................................................8
2.6.1. Phương pháp sấy nóng...................................................................................8
2.6.2. Phương pháp sấy lạnh....................................................................................8
2.7. Các hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời.........................................................9
2.7.1. Tủ sấy dùng năng lượng mặt trời...................................................................9
2.7.2. Thiết bị sấy kiểu nhà kính ...........................................................................10
2.7.3. Thiết bị sấy gián tiếp ...................................................................................11
2.8. Tìm hiểu về vật liệu sấy......................................................................................12
2.8.1. Giới thiệu sơ lược về cây cacao...................................................................12
2.8.2. Công dụng của ca cao..................................................................................13
2.8.3. Tình hình sản xuất và tiêu thụ ca cao trên thế giới......................................14
2.8.4. Tình hình trồng và sơ chế hạt ca cao trong nước ........................................14
2.8.5. Một số khó khăn trong sơ chế hạt cacao ở Việt Nam..................................15
2.9. Quy trình chung sơ chế hạt ca cao......................................................................16
2.9.1. Thu hoạch trái..............................................................................................16
2.9.2. Trữ trái và tách hạt.......................................................................................16

2.9.3. Lên men .......................................................................................................17
2.9.4. Làm khô và bảo quản...................................................................................18
2.10. Các loại máy sấy ca cao....................................................................................19
2.10.1. Máy sấy Samoan........................................................................................19
2.10.2. Máy sấy sàn phẳng.....................................................................................20
2.10.3. Máy sấy thùng quay...................................................................................21
2.10.4. Máy sấy Buttner (sấy tháp)........................................................................21
2.11. Lý thuyết về bộ thu nhiệt..................................................................................22
2.11.1. Định nghĩa bộ thu nhiệt .............................................................................22
2.11.2. Phân loại bộ thu nhiệt ................................................................................22
2.11.3. Nguyên lý hoạt động bộ thu nhiệt..............................................................22
2.11.4. Hiệu suất bộ thu nhiệt ................................................................................23
2.12. Tìm hiểu về một số loại vật liệu tích trữ nhiệt .................................................23


2.12.1. Đá...............................................................................................................23
2.12.2. Nước...........................................................................................................24
2.12.3. Vật liệu chuyển pha muối Glauber ............................................................24
2.13. Tìm hiểu về tấm phủ trong suốt........................................................................26
2.14. Tấm lợp làm từ vật liệu PolyCarbonate(PC) ....................................................27
2.15. Cơ sở tính tốn thiết bị sấy ...............................................................................29
2.15.1. Xác định ẩm độ của hạt trước khi sấy........................................................29
2.15.2. Xác định lượng nước bốc hơi từ khối hạt ..................................................29
2.15.3. Xác định các thông số của tác nhân sấy.....................................................29
2.15.4. Xác định lượng cần thiết của tác nhân sấy ................................................30
2.15.5. Xác định khối lượng thể tích của vật liệu sấy và vật liệu tích trữ nhiệt ....30
2.15.6. Xác định kích thước buồng sấy .................................................................31
2.15.7. Tính chi phí nhiệt cho q trình sấy ..........................................................31
2.15.8. Tính tốn tổn thất nhiệt thiết bị sấy ...........................................................32
2.16.9. Xác định khối lượng cần thiết của vật liệu tích trữ nhiệt ..........................35

Chương 3 ......................................................................................................................36
NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU..................................................36
3.1. Phương pháp khảo nghiệm .................................................................................36
3.1.1. Mục đích khảo nghiệm ................................................................................36
3.1.2. Phương pháp chuẩn bị vật liệu sấy..............................................................36
3.1.3. Phương tiện khảo nghiệm...........................................................................36
3.1.4. Phương pháp khảo nghiệm ..........................................................................38
3.2. Phương pháp thiết kế ..........................................................................................41
Chương 4 ......................................................................................................................42
KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.....................................................................................42
4.1. KẾT QUẢ KHẢO NGHIỆM .............................................................................42
4.1.1. Giới thiệu chung ..........................................................................................42
4.1.2. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò sấy khảo nghiệm ...........................42
4.1.3. Kết quả khảo nghiệm đo bức xạ mặt trời ....................................................43
4.1.4. Kết quả khảo nghiệm sấy ca cao .................................................................45
4.1.4.1. Kết quả khảo nghiệm mẻ 1.......................................................................45


4.1.4.2. Kết quả khảo nghiệm mẻ 2.......................................................................50
4.1.5. Kết quả đánh giá chất lượng hạt ca cao phơi và sấy ...................................56
4.1.6. Nhận xét chung và thảo luận .......................................................................58
4.2. TÍNH TỐN THIẾT KẾ .......................................................................................58
4.2.1. Chọn phương án thiết kế .............................................................................58
4.2.1.1. Chọn dạng hệ thống sấy ...........................................................................58
4.2.1.2. Chọn nguồn năng lượng ...........................................................................59
4.2.1.3. Mô hình hệ thống sấy ...............................................................................59
4.2.1.4. Nguyên lý hoạt động ................................................................................60
4.2.2. Tính tốn cho q trình sấy .........................................................................60
4.2.2.1. Xác định ẩm độ của vật liệu trước khi sấy ...............................................60
4.2.2.2. Xác định lượng nước cần bốc hơi từ khối vật liệu ...................................62

4.2.2.3. Xác định các thông số của tác nhân sấy ...................................................63
4.2.2.4. Xác định lượng nước tác nhân sấy mang đi trong một đơn vị thời gian ..64
4.2.2.5. Xác định lưu lượng cần thiết của tác nhân sấy.........................................65
4.2.2.6. Xác định khối lượng thể tích của vật liệu sấy và vật liệu tích trữ nhiệt...65
4.2.2.7. Xác định kích thước buồng sấy ................................................................66
4.2.2.8. Tính chi phí nhiệt cho q trình sấy .........................................................66
4.2.2.9. Tính tốn các tổn thất nhiệt thiết bị sấy....................................................66
4.2.2.10. Xác định khối lượng cần thiết của vật liệu tích trữ nhiệt .......................69
4.2.2.11. Xác định kích thước bộ thu và trữ nhiệt.................................................71
Chương 5 ......................................................................................................................73
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ .........................................................................................73
5.1. Kết luận ..................................................................................................................73
5.2. Đề nghị ...................................................................................................................73
TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC
TẬP BẢN VẼ


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
NLMT

Năng lượng mặt trời

VLS

Vật liệu sấy

HTS

Hệ thống sấy

TNS

Tác nhân sấy

TBCT

Thiết bị chuyền tải

v


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Trang
Hình 2.1: Tủ sấy trái cây dùng năng lượng mặt trời ............................................. 9
Hình 2.2: Tủ sấy cố định ..................................................................................... 10
Hình 2.3: Hầm sấy kiểu nhà kính dùng để sấy nơng sản..................................... 10
Hình 2.4: Ngun lý hoạt động của thiết bị sấy ................................................. 11
Hình 2.5: Hệ thống sấy thóc năng lượng mặt trời ............................................... 12
Hình 2.6: Hai lồi chính của ca cao: Criollo và Forastero .................................. 12
Hình 2.7: Trái ca cao và bên trong trái ca cao..................................................... 13
Hình 2.8: Một số sản phẩm làm từ hạt ca cao ..................................................... 13
Hình 2.9: Sơ đồ quy trình sơ chế hạt ca cao ........................................................ 16
Hình 2.10: Trữ trái trong lồng làm bằng tre ........................................................ 16
Hình 2.11: Ủ thúng .............................................................................................. 17
Hình 2.12: Ủ đống, tủ bằng lá chuối.................................................................... 17
Hình 2.13: Ủ hạt ca cao trong thùng.................................................................... 17
Hình 2.13: Hạt ca cao sau khi lên men tốt........................................................... 18
Hình 2.14: Hạt ca cao lên men quá độ................................................................. 18
Hình 2.15: Phương pháp phơi hạt truyền thống .................................................. 18

Hình 2.16: Thiết bị sấy ca cao sử dụng năng lượng mặt trời .............................. 19
Hình 2.17: Máy sấy Samoan................................................................................ 20
Hình 2.18: Máy sấy sàn phẳng ............................................................................ 21
Hình 2.19: Máy sấy thùng quay........................................................................... 21
Hình 2.20: Muối Glauber..................................................................................... 24
Hình 2.21: Thể tích của ba loại vật liệu tích trữ ................................................. 25
Hình 2.22: Tấm lợp Twinlite ............................................................................... 28
Hình 2.23: Tấm lợp dợn sóng Solartuff............................................................... 28
Hình 2.24: Các trạng thái biễu diễn trên đồ thị t - d............................................ 30

vi


Hình 3.1: Vị trí đặt lị sấy ca cao ......................................................................... 37
Hình 3.2: Vị trí đặt nhiệt kế bầu khơ, bầu ướt trong buồng sấy .......................... 39
Hình 4.1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của lò sấy khảo nghiệm ................... 43
Hình 4.2: Hạt ca cao phơi và sấy mẻ 2 ................................................................ 52
Hình 4.3: Ngun lý hoạt động mơ hình sấy ca cao bằng năng lượng mặt trời .. 60
Hình 4.4: Biểu diễn trạng thái khơng khí ẩm trên đồ thị t - d ............................. 64
Hình 4.5: Các kích thước của bộ thu và trữ nhiệt................................................ 71


DANH SÁCH CÁC BẢNG
Trang
Bảng 2.1 : Phân bố cường độ bức xạ tại các vùng trong nước ta .......................... 5
Bảng 2.2: Phân bố số giờ nắng trong cả nước ....................................................... 6
Bảng 2.3: Đặc tính của ba loại vật liệu tích trữ nhiệt mặt trời............................. 25
Bảng 2.4: Ưu nhược điểm của kính, tấm nhựa, kính tổng hợp........................... 26
Bảng 2.5: Độ truyền sáng và nhiệt độ theo màu sắc của tấm lợp........................ 27
Bảng 4.1: Tổng hợp số liệu bức xạ khảo nghiệm ................................................ 45

Bảng 4.2: Thông số hạt ca cao trước và sau sấy.................................................. 46
Bảng 4.3: Thông số nhiệt độ trong quá trình sấy................................................. 47
Bảng 4.4: Thơng số hạt ca cao trước và sau khi phơi và sấy............................... 51
Bảng 4.5: Thông số nhiệt độ trong quá trình sấy................................................. 51
Bảng 4.6: Tổng hợp phiếu đánh giá..................................................................... 57
Bảng 4.7: Số liệu thu được qua năm lần sấy........................................................ 61
Bảng 4.8: Trạng thái các điểm trong quá trình sấy.............................................. 64

vii


DANH SÁCH CÁC ĐỒ THỊ
Trang
Đồ thị 4.1: Biểu diễn bức xạ mặt trời mẻ sấy 1 ................................................... 44
Đồ thị 4.2: Biểu diễn bức xạ mặt trời mẻ sấy 2 ................................................... 44
Đồ thị 4.3: Biểu diễn ẩm độ và lượng nước mất đi mẻ 1..................................... 47
Đồ thị 4.4: Biểu diễn nhiệt độ môi trường và nhiệt độ đá mẻ 1 .......................... 48
Đồ thị 4.5: Biểu diễn nhiệt độ, ẩm độ của môi trường và buồng sấy mẻ 1 ......... 48
Đồ thị 4.6: Biểu diễn nhiệt độ: môi trường – đá – buồng sấy mẻ 1..................... 49
Đồ thị 4.7: Biểu diễn độ chứa ẩm khí sấy và khí sau sấy ................................... 49
Đồ thị 4.8: Biểu diễn ẩm độ và khối lượng hạt phơi ca cao mẻ 2 ....................... 52
Đồ thị 4.9: Biểu diễn ẩm độ và khối lượng hạt sấy mẻ 2 .................................... 53
Đồ thị 4.10: Biểu diễn nhiệt độ môi trường và đá khảo nghiệm mẻ 2 ................ 53
Đồ thị 4.11: Biểu diễn nhiệt độ, ẩm độ môi trường và buồng sấy mẻ 2.............. 54
Đồ thị 4.12: Biểu diễn nhiệt độ môi trường – đá – buồng sấy............................. 55
Đồ thị 4.13: Biểu diễn độ chứa ẩm khí sấy và sau sấy mẻ 2 ............................... 55

viii

Chương 1
MỞ ĐẦU
1.1. Dẫn nhập
Trong thời đại ngày nay, nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng, trong khi đó các
nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá …ngày càng cạn kiệt khiến cho
nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Cho nên việc tìm kiếm và khai
thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng gió và năng
lượng mặt trời… là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng
lượng trên toàn thế giới. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và gần như vô
tận. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời
và triển khai chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự.
Việt Nam là nước có nguồn năng lượng mặt trời dồi dào với số giờ nắng là 1600 2600 giờ/năm và lượng bức xạ vào khoảng 4 - 5 kWh/m2/ngày. Đây là điều kiện tốt để
sử dụng nguồn năng lượng mặt trời. Đồng thời, Việt Nam hiện nay vẫn là nước chuyên
sản xuất các mặt hàng nông sản để tiêu dùng trong nước và xuất khẩu, một trong các
sản phẩm nông sản đang có giá trị kinh tế cao hiện nay đó là ca cao. Hạt ca cao trước
khi được đem đi chế biến trong nước hay xuất khẩu ra nước ngồi thì cần phải qua q
trình sơ chế, trong đó giai đoạn làm khơ có vai trị rất quan trọng quyết định chất lượng
hạt ca cao, mà phương pháp làm khô hạt truyền thống của bà con nông dân hiện nay
vẫn là phương pháp phơi nắng, nên phụ thuộc rất nhiều vào thời tiết, chi phí nhân cơng
và u cầu diện tích sân phơi lớn, và thời gian tương đối dài. Ngồi ra khi thời tiết xấu,
hạt khơng kịp khơ thì dễ bị mốc, bốc mùi hơi dẫn đến giảm chất lượng hạt, kéo theo
giá thành đầu ra của sản phẩm giảm mạnh, điều này ảnh hưởng đến đời sống của bà
con nông dân. Để khắc phục các nhược điểm trên một số loại hệ thống sấy phổ biến
khác như là Samoan, sàn phẳng, thùng quay, buttner,… thì chi phí vận hành và lắp đặt
1


tương đối cao hoặc hạt có thể bị nhiễm bẩn do khói lị, dễ vỡ hoặc khơ q nhanh ảnh
hướng đến chất lượng hạt.
Như vậy, yêu cầu đặt ra là cần phải khắc phục các nhược điểm của phương pháp

phơi nắng, nhưng giá thành lắp đặt và vận hành thiết bị có thể chấp nhận được đối với
bà con nơng dân. Do đó, việc nghiên cứu chế tạo các loại hệ thống sấy sử dụng nguồn
năng lượng mặt trời có thể đem lại rất nhiều lợi ích: tận dụng nguồn năng lượng vơ tận
của mặt trời, tiết kiệm chi phí cho nhiên liệu, nhân công đồng thời không gây ô nhiễm
mơi trường.
Trên cơ sở đó, được sự cho phép của Ban Chủ Nhiệm Khoa Cơ Khí - Cơng Nghệ
dưới sự hướng dẫn của thầy Lê Quang Giảng và thầy Nguyễn Đức Khuyến chúng tơi
đã tiến hành thực hiện đề tài:
“Tính toán, thiết kế hệ thống sấy ca cao dùng năng lượng mặt trời với năng suất
110 kg hạt ướt/mẻ”

1.2. Mục đích đề tài
1.2.1. Mục đích chung
Khảo nghiệm, tính tốn, thiết kế hệ thống sấy ca cao dùng năng lượng mặt
trời để sấy ca cao nhằm nâng cao chất lượng hạt ca cao, đồng thời tiết kiệm được nhiên
liệu và nhân cơng nhằm nâng cao hiệu quả kinh tế.
1.2.2. Mục đích cụ thể
9 Tìm hiểu quy trình sơ chế hạt ca cao.
9 Khảo nghiệm sấy hạt ca cao bằng lò sấy ca cao sử dụng năng lượng mặt trời
và bằng phương pháp phơi nắng truyền thống để xác định: các thông số kỹ thuật và
hiệu quả kinh tế.
9 Tính tốn, thiết kế lò sấy ca cao sử dụng năng lượng mặt trời với năng suất
110 kg hạt ướt/mẻ.

2


Chương 2
TỔNG QUAN
2.1. Nguồn gốc, bản chất nguồn năng lượng mặt trời /TL 8/

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1390.106 km (lớn hơn gấp 110
lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.106 km. Khối lượng mặt trời khoảng M0 =
2.1030 kg. Nhiệt độ To trung tâm mặt trời thay đổi khoảng từ 10.106 K đến 20.106 K,
trung bình khoảng 156.105 K. Ở nhiệt độ như vậy thì vật chất khơng thể giữ được cấu
trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó
các hạt nhân nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do
có va chạm với nhau sẽ tạo ra các vụ nổ nhiệt hạch. Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu
của mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydro, phản ứng này tạo ra
hạt nhân Hêli. Hạt nhân của Hydro có một hạt mang điện dương là proton. Thông
thường những hạt mang điện cùng dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển
động của chúng sẽ nhanh tới mức chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách
mà ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân
Hydro lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 neutrion và một lượng bức xạ γ.
Nhiệt độ bề mặt mặt trời khoảng 5762 K. Nguyên tố phổ biến nhất trên mặt trời là
nguyên tố nhẹ nhất Hydro. Vật chất mặt trời bao gồm chừng 92,1% là Hydro và gần
7,8% là Hêli, 0,1% là các nguyên tố khác. Sự kết hợp giữa hai nguyên tử Hydro có bốn
proton, tạo thành một nguyên tử He có số proton ít hơn nên xảy ra hiện tượng hụt khối
∆m và giải phóng năng lượng. Khối lượng mặt trời mỗi giây giảm chừng 4.106 tấn, tuy
nhiên theo kết quả nghiên cứu thì trạng thái của mặt trời không thay đổi trong thời gian
5 tỷ năm nữa. Như vậy nguồn năng lượng mặt trời gần như vĩnh cữu với sự tồn tại và
phát triển của trái đất.
3


2.2. Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới /TL 15/
Sau cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1973, nhiều nước trên thế giới đã
quyết định tìm đến những chương trình nghiên cứu, ứng dụng các nguồn năng lượng
tái tạo, trong đó lĩnh vực năng lượng mặt trời đóng vai trị vơ cùng quan trọng. Có thể
nói, năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và gần như vô tận.
Trong việc ứng dụng năng lượng mặt trời vào cuộc sống, thì các thiết bị đun nước

nóng bằng năng lượng mặt trời hiện nay đang được phát triển vô cùng mạnh mẽ trên
thế giới, mỗi năm, một mét vng thiết bị đun nước nóng mặt trời có thể tiết kiệm từ
khoảng 500 - 900 kWh, tùy theo vùng khí hậu và hiệu suất thiết bị. Trong đó, Trung
Quốc, Nhật Bản, Israel, Sip, Australia là những nước đi đầu trong lĩnh vực công nghệ
này.
Ngành Công nghiệp năng lượng Mặt Trời trên thế giới đang tăng trưởng 40% một
năm. Tại Mỹ, năng lượng Mặt Trời dự kiến sẽ chiếm khoảng 35% nhu cầu tiêu thụ
năng lượng của cả nước vào năm 2050. Nhật Bản đã đầu tư 3% GDP vào điện Mặt
Trời, trong khi Trung Quốc cũng trở thành nước đầu tư lớn thứ 3 thế giới trong các
hoạt động nghiên cứu và phát triển năng lượng mặt trời. Liên minh châu Âu cũng có
kế hoạch tăng tỷ lệ sử dụng năng lượng thay thế lên 20% vào năm 2020.
Về lĩnh vực pin mặt trời thì khoảng 1200 MW pin mặt trời được sản xuất năm
2004, trong khi sản lượng tích lũy của các hệ thống sản xuất điện từ năng lượng mặt
trời được thiết lập trên toàn cầu đạt 2600 MW. Các hệ thống pin mặt trời đang được
thiết lập và trở thành quan trọng ở Nhật Bản, châu Âu, Mỹ và các vùng khác trên thế
giới nhờ có các chương trình khuyến khích. Hàng năm, mỗi mét vuông pin mặt trời
(150W) được thiết lập ở Nhật Bản, trong vùng vĩ độ trung bình của hành tinh, sản xuất
ra 158 kWh điện, tiết kiệm một lượng dầu tương đương là 39 lít và cắt giảm gánh nặng
carbon dioxide của thế giới tương đương với 316m2 rừng. Đặc trưng có lợi nhất của
sản xuất điện từ năng lượng mặt trời có thể tóm tắt như sau: "ở đâu có ánh nắng mặt
trời, ở đó có thể sản xuất ra điện".
Nhận xét: Trên thế giới việc sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng phát triển
mạnh là một tiền đề lớn để năng lượng mặt trời thay thế dần cho các năng lượng
truyền thống và vấn đề môi trường ngày càng được cải thiện.

4


2.3. Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta
2.3.1. Tình hình phân bố bức xạ và giờ nắng trong nước /TL 2/

Việt Nam là nước nhiệt đới, tiềm năng bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế
giới với tổng số giờ nắng và cường độ bức xạ nhiệt cao.
9 Bức xạ mặt trời: khoảng 4-5 kWh/m2/ngày.
9 Số giờ có nắng : 1600-2600 giờ/năm.
9 Nơi có tiềm năng tốt: Tây bắc và từ miền Trung trở xuống phía Nam.
9 Nơi nắng yếu ở Bắc bộ và bắc Trung bộ, đặc biệt từ tháng 11 đến tháng 2.
Bảng 2.1 : Phân bố cường độ bức xạ tại các vùng trong nước ta.
Vùng

Cường độ bức xạ trung bình
Tên địa phương

lãnh

(kWh/m2/ngày )

thổ

(kWh/m2/năm)

Vùng núi phía Bắc, Đơng Bắc,
1

Đồng Bằng sơng Hồng đến

3.91

1427

4.44

1549

4.80

1799

5.61

2084

Vinh- Nghệ An
Vùng núi Tây Bắc, Thanh Hóa,
2

Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng
Trị.
Thừa Thiên - Huế, ven biển từ
Đà Nẵng đến Phú Yên, Kon

3

Tum, Gia Lai, các tỉnh Miền
Đông Nam Bộ, thành phố Hồ
Chí Minh, các tỉnh đồng bằng
sơng Cửu Long.

Đắk Lắk, Lâm Đồng, Khánh
4

Hịa, Ninh Thuận, Bình
Thuận, Bà Rịa Vũng Tàu.
Cả nước

4.59

5

1675


Bảng 2.2: Phân bố số giờ nắng trong cả nước
Vùng

Số giờ nắng trung

lãnh

Tên địa phương

thổ

bình trong
năm(giờ/năm)

1

Điện Biên, Lai Châu, Sơn La, Mộc Châu

1930

2

Lào Cai, Hà Giang, vùng Tây Bắc Bắc Bộ

1452

3

Vùng núi phía Bắc, Đơng Bắc, Đồng bằng sơng

1631

Hồng, và Bắc khu IV cũ (đến Hà Tĩnh)
4

Quảng Bình, Quảng Trị, Vùng núi Thừa Thiên

5

Huế.
Vùng ven biển từ Quảng Trị, Thừa Thiên – Huế

1818
2294

đến Ninh Thuận
6

Phan Thiết ( Bình Thuận)

2961

7

Kon Tum, Gia lai, Đăk Lăk, Lâm Đồng

2431

8

Đông Nam Bộ, thành phố Hồ Chí Minh, Đồng

2411

bằng sơng Cửu Long

Trung bình cả nước

1854

2.3.2. Tình hình sử dụng năng lượng mặt trời trong nước /TL 14/
Nước ta đã phát triển nguồn năng lượng điện mặt trời từ những năm 1960, tới
nay, hoàn toàn làm chủ công nghệ điện mặt trời. Hơn 20 năm trở lại đây, nước ta đã sử
dụng nhiều loại thiết bị thu hứng ánh sáng mặt trời để phục vụ cho quá trình sản xuất
như thiết bị sấy, thiết bị đun nước nóng, thiết bị chưng cất nước và dàn pin mặt trời...
Hội khoa học kỹ thuật xây dựng Thành phố Hồ Chí Minh đưa ra một số đề xuất:
cần có một cơ quan chuyên nghiên cứu, ứng dụng năng lượng tái táo, quan trọng nhất
là năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng khí sinh học…nhằm xử lý phế liệu
nông nghiệp, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Giá pin mặt trời, thiết bị nấu nước

nóng... hiện nay đã rẻ hơn nhiều so với trước, song vẫn còn cao so với thu nhập của
người dân, chưa thể xã hội hoá rộng rãi được, nhất là ở nông thôn, miền núi, hải đảo.
Nhà nước nên tác động để hạ giá thành sản phẩm sao cho người dân có thể chấp nhận
được. Những doanh nghiệp có dự án đầu tư sản xuất pin mặt trời, thiết bị đun nước
6


nóng bằng năng lượng mặt trời thì được Nhà nước ưu đãi nhiều điều kiện thuận lợi.
Trước mắt cần phát triển thiết bị đun nóng bằng năng lượng mặt trời vì đây là cơng
nghệ khơng q phức tạp, phù hợp với trình độ khoa học và cơng nghệ nước ta, lại có
phạm vi ứng dụng vơ cùng rộng rãi từ thành thị đến nông thôn.

2.4. Các ưu thế của việc sử dụng năng lượng mặt trời
9 Không làm ô nhiễm khơng khí.
9 Khơng gây hiệu ứng nhà kính.
9 Khơng tạo ra phế thải rắn và khí độc hại.
9 Là nguồn năng lượng vơ tận và miễn phí.

2.5. Cơ sở lý thuyết sấy /TL 3/
2.5.1. Khái niệm
Sấy là quá trình dịch chuyển ẩm từ trong hạt ra ngồi mơi trường nhằm hạ
ẩm độ hạt đến một giá trị yêu cầu phục vụ cho các mục đích bảo quản hay cho các quá
trình chế biến lương thực thực phẩm.
2.5.2. Ẩm độ hạt
a. Định nghĩa
Ẩm độ hạt, % =

G H 2O
G

*100

Trong đó:
G H2O - Khối lượng nước trong hạt
G - Khối lượng hạt

b. Tầm quan trọng của độ hạt
Ẩm độ hạt là yếu tố quan trọng nhất quyết định thời gian bảo quản hạt. Trong
khoảng 14 – 18%, mỗi 1% sai biệt ảnh hưởng lớn đến hoạt động phát triển của nấm
mốc làm hư hỏng hạt. Với điều kiện thơng thống tốt, hạt lúa 14% có thể bảo quản
được một năm, nhưng ngược lại lúa 18% chỉ giử được khoảng hai tuần.
Ẩm độ hạt là chỉ tiêu quan trọng trong việc mua bán nông phẩm.

7


2.5.3. Bản chất của quá trình sấy
Là sự khuếch tán hơi nước từ bên trong vật liệu ra bề mặt vật liệu và tiếp
theo là sự bốc ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trường xung quanh dựa vào sự chênh lệch
phân áp suất hơi nước giữa bề mặt vật liệu và mơi trường.
2.5.4. Ngun tắc của q trình sấy
Làm cho phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu cao hơn phân áp suất hơi
nước của môi trường, cụ thể:
9 Tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu, ví dụ hệ thống sấy tiếp xúc.
9 Giảm phân áp suất hơi nước của môi trường, ví dụ hệ thống sấy lạnh, hệ
thống sấy chân khơng.
9 Kết hợp cả hai nguyên tắc trên, ví dụ các hệ thống sấy đối lưu.

2.6. Các phương pháp sấy /TL 4/
Dựa vào trạng thái tác nhân sấy(TNS) hay cách tạo ra động lực quá trình dịch

chuyển ẩm mà chúng ta có hai phương pháp sấy: phương pháp sấy nóng và phương
pháp sấy lạnh.
2.6.1. Phương pháp sấy nóng
Là phương pháp sấy trong đó người ta tạo ra độ chênh lệch phân áp suất hơi
nước giữa vật liệu sấy(VLS) và TNS bằng cách tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt
VLS thơng qua việc đốt nóng VLS hoặc vừa tăng phân áp suất VLS vừa giảm phân áp
suất TNS thông qua việc đốt nóng cả VLS và TNS. Nguồn năng lượng chủ yếu là các
chất đốt như than đá, sinh khối..., một số ít sử dụng điện và năng lượng mặt trời. Các
hệ thống sấy(HTS) như là HTS đối lưu, HTS tiếp xúc, HTS bức xạ…
Các HTS sử dụng phương pháp sấy nóng có chi phí thấp, dễ chế tạo, cho khả năng
bốc ẩm của vật liệu nhanh vì vậy các HTS này được dùng rất phổ biến. Nhưng do
nhiệt độ sấy cao không phù hợp với một số loại vật liệu và các yêu cầu dinh dưỡng,
thẩm mỹ của một số loại lương thực thực phẩm.
2.6.2. Phương pháp sấy lạnh
Trong phương pháp sấy lạnh người ta tạo ra độ chênh lệch phân áp suất hơi
nước giữa VLS và TNS chỉ bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy
8


nhờ giảm lượng chứa ẩm d ở điều kiện nhiệt độ thấp và rất thấp. Nguồn năng lượng
phần lớn là điện. Các HTS như là HTS thăng hoa, HTS chân khơng…
Do tính phức tạp và chi phí kính tế cao nên các HTS sử dụng phương pháp
sấy lạnh chỉ được dùng để sấy những VLS quý hiếm không chịu được nhiệt độ cao do
đó các HTS này là các HTS chuyên dùng không phổ biến.

2.7. Các hệ thống sấy dùng năng lượng mặt trời /TL 8/
Trong thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời, nhiệt được cung cấp bởi việc hấp thụ
trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời của vật liệu sấy. Hơi nước sinh ra được mang đi
bởi khơng khí thổi ngang qua vật liệu sấy. Khơng khí chuyển động được là nhờ quá
trình đối lưu tự nhiên hoặc do quạt thổi cưỡng bức. Thiết bị sấy năng lượng mặt trời

gồm các loại phổ biến sau:
2.7.1. Tủ sấy dùng năng lượng mặt trời

Hình 2.1: Tủ sấy trái cây dùng năng lượng mặt trời
Thiết bị này có hình dạng là một cái tủ, một mặt của tủ là kính để thu bức xạ
mặt trời chuyển thành năng lượng nhiệt làm tăng nhiệt độ của khơng khí, buồng sấy và
sản phẩm sấy, có các mặt khác được bộc cách nhiệt. Thường thì ánh sáng mặt trời
chiếu trực tiếp vật sấy và ẩm thốt ra được khơng khí lưu thơng mang đi, q trình lưu
thơng của khơng khí có thể là đối lưu tự nhiên hoặc đối lưu cưỡng bức do quạt thổi,
ẩm được thoát ra từ bên trên. Vật liệu sấy được nằm trên các khay với từng lớp mỏng
và đặt trong tủ sấy. Thiết bị này được sử dụng để sấy các loại trái cây hay ngũ
cốc(cereal) như nho, lúa thóc … (Hình 2.1)

9