Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mô hình sấy nông sản bằng năng lượng mặt trời kết hợp điện trở gia nhiệt với các kiểu phân phối dòng tác nhân sấy khác nhau

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
BỘ MÔN CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH
... & ...

PHAN HỮU LỰC

NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH
SẤY NÔNG SẢN BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP
ĐIỆN TRỞ GIA NHIỆT VỚI CÁC KIỂU PHÂN PHỐI DÒNG
TÁC NHÂN SẤY KHÁC NHAU
Chuyên ngành: KỸ THUẬT NHIỆT
Mã số: 60520115

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, 6/2017



CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. HÀ ANH TÙNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 1:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại Học Bách Khoa - ĐHQG Tp.HCM

i


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI
HỌC QUỐC GIA TP HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên : Phan Hữu Lực
Ngày thàng năm sinh : 22/01/1992
Chuyên ngành : Kỹ thuật nhiệt

Phái: Nam
Nơi sinh : Bến Tre
Mã ngành: 60520115

I. TÊN ĐỀ TÀI
NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ THỰC NGHIỆM MÔ HÌNH SẤY NÔNG
SẢN BẰNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT HỢP ĐIỆN TRỞ GIA NHIỆT
VỚI CÁC KIỂU PHÂN PHỐI DÒNG TÁC NHÂN SẤY KHÁC NHAU
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

a. Tìm hiểu về sấy bằng năng lượng mặt ười trên thế giới và trong nước.

b. Tìm hiểu lý thuyết về sấy và năng lượng mặt trời để ứng dụng vào thực tế
mô hình sấy nông sản kết hợp với điện trở gia nhiệt.
c. Nghiên cứu tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình sấy nông sản kết hợp
điện trở gia nhiệt với các kiểu phân phối dòng tác nhân sấy khác nhau.
d. Khảo nghiệm và đánh giá các phương án phân phối dòng tác nhân sấy
trong buồng sấy.
e. Đánh giá hiệu quả tiết kiệm năng lượng và viết chương trình tính toán cho
hệ thống sấy bằng chương trình EES (Engineering Equation Solver).
III.
IV.
V.

NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 16/01/2017
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : 18/6/2017
HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN 1 : TS. HÀ ANH TÙNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TS. HÀ ANH TÙNG

GS.TS. LÊ CHÍ HIỆP
2


LỜI CẢM ƠN
Học viên bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:

Cán bộ hướng dẫn : TS. HÀ ANH TÙNG, đã đưa ra định hướng cho học viên tiếp
cận đề tài nghiên cứu thiết kế hệ thống sấy nông sản bằng năng lượng mặt ttời kết họp
với điện ừở gia nhiệt với các kiểu phân phối dòng tác nhân sấy khác nhau. Trong quá
trình thực hiện từ đề cương đến luận văn này, thầy đã tận tình quan tâm, chia sẽ, sửa
chữa, đóng góp ý kiến kịp thời hữu ích giúp đỡ học viên hoàn thành các nội dung nghiên
cứu ttong luận vãn.
Xin chân thành cám ơn quý Thầy Cô ữong bộ môn Công nghệ nhiệt lạnh - Trường
Đại học Bách Khoa Tp.HCM đã tận tâm truyền đạt kiến thức cũng như kinh nghiệm
trong suốt quá trình 2 năm của học viên.
Gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi về thời gian, vật chất, chia sẽ và động viên học
viên trong suốt thời gian qua.
Các bạn bè thân thiết, các em đã tạo điệu kiện về cơ sở vật chất và kiến thức ngoài
ngành để học viên hoàn thành mô hình thực nghiệm ừong luận văn.

Học viên
PHAN HỮU LỰC

3


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN
Trước tiên, luận văn giới thiệu về sấy năng lượng mặt trời, các phương pháp sấy năng
lượng mặt trời đã được các nước trên the giới nghiên cứu cũng như ở Việt Nam.
Các nội dung tiếp theo trình bày những kiến thức lý thuyết về năng lượng mặt trời,
collector và công nghệ sấy. Từ những lý thuyết dựa trên tài liệu trong và ngoài nước
trong lĩnh vực sấy để ứng dụng vào tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình sấy năng lượng
mặt trời kết họp với điện ừở.
Sau phần tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình tiến hành làm thí nghiệm với những
phương án khác nhau. Trong đó có 4 phương án là sấy đối lưu tự nhiên, sấy đối lưu tự
nhiên có quả cầu hút nhiệt, sấy đối lưu cưỡng bức và sấy đối lưu cưỡng bức với dòng tác

nhân sấy thay đổi.
Từ kết quả thực nghiệm, luận văn tiến hành so sánh kết quả và đánh giá hiệu quả kinh
te kỹ thuật của sản phẩm. Phần cuối xây dựng chương trình tính toán cho hệ thống sấy
với phần mem EES (Engineering Equation Solver).

4



ABSTRACT

The first section of the thesis introduces about the solar drying technology and
methods of solar drying that were researched by Viet Nam and many other countries in
the world.
Next sections of the thesis will present in details some theories - from local and
international researches - about the solar energy, collector and drying science. Based on
those knowledge, the author applied into calculations, designs and manufacturing of the
solar drying combined with heat resistance model.
After that the author will conduct some experiments with the created model. The
methods performed includes natural convection drying, natural convection drying
combined with a globe ventilator, forced convection drying and forced convection
drying with the changed flow .
With the experimental results, the author will make comparisons of them and assess
the economical as well as technical efficiency of drying products. Finally, the author
builds the calculation program for the drying system with EES (Engineering Equation
Solver) software.

V

LỜI CAM ĐOAN

Bản luận văn này do tôi nghiên cứu và thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của
Thầy T.s. Hà Anh Tùng.
Để hoàn thành luận văn này, tôi đã sử dụng những tài liệu được ghi ưong mục Tài
liệu tham khảo, ngoài ra không sử dụng bất cứ tài liệu tham khảo nào khác mà không được
ghi. Tôi xin cam đoan không sao chép các kết quả nghiên cứu, các công trình khoa học của
người khác.
Nếu sai, tôi xin chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định.

Tp.Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 6 năm 2017

Phan Hữu Lực

vi


DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU ĐƯỢC SỬ DỤNG
TRONG LUẬN VĂN
1. CHỮ VIẾT TẮT
EES: Engineering Equation Solver
BXMT: Bức xạ mặt trời
ĐLTN: Đối lưu tự nhiên
ĐLCB: Đối lưu cưỡng bức
UV: Ultra Violet
ECC HCMC: Energy conservation center HCMC
2. CÁC KÝ HIỆU, Ý NGHĨA VÀ ĐƠN VỊ ĐO

vii

viii



N
A

Nồng độ ẩm

kg/m3

Khối lượng riêng

kg/m3

p
T

Áp suất

Pa

Nhiệt độ

°C

I

Thể tích

m3

Ổ1

Độ chứa hơi

kg/kg

Entanpi
Thể tích vật chiếm chổ

kJ/kg
m3/kg

Lượng ẩm bốc hơi

kg/h

V
d

w
L

Độ ẩm

%

Lượng không khí tiêu hao

kg/h

Lượng tiêu hao không khí cần thiết để bốc hơi lkg

kg/h

1
Qo

nước
Qo

cv

Tiêu hao nhiệt lý thuyết
Nhiệt lượng
Nhiệt dung riêng

kJ/kg ẩm

w
kJ/kgK

ix

PHỤ LỤC
PHỤ LỤC HÌNH ............................................................................................................. xiv
PHỤ LỤC BẢNG ........................................................................................................... XX
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ............................................................................... 1
1.1 Tổng quan về sấy năng lượng mặt trời ..................................................................... 1
1.1.1 Giới thiệu về sấy năng lượng mặt trời .............................................................. 1
1.1.2 Điều kiện địa lý Việt Nam ................................................................................ 2
1.2 Các phương pháp sấy năng lượng mặt trời và công trình nghiên cứu có liên quan
ttên thế giới ...................................................................................................................... 5
1.2.2 Sấy năng lượng mặt trời thụ động (dòng không khí nóng ĐLTN) ............... 6
1.2.3 Sấy năng lượng mặt trời kiểu chủ động (ĐLCB) .......................................... 12
1.3 Các phương pháp sấy năng lượng mặt trời trơng nước ......................................... 16
1.3.1 Những đề tài nghiên cứu khoa học, luận văn có liên quan đến sấy năng lượng
mặt trời ...................................................................................................................... 16
1.3.2 Sản phẩm, mô hình đã áp dụng trong nước [20] ............................................ 19
1.4 Tổng quan về quả xoài ........................................................................................... 21
1.4.1 Giới thiệu về quả xoài [22] ............................................................................. 21
1.4.2 Phân loại ......................................................................................................... 21
1.4.3 Thành phần hóa học có trong quả xoài........................................................... 24
1.4.4 Giá ưị sử dụng của xoài .................................................................................. 25
1.5 Lý do chọn đề tài ................................................................................................... 27
1.6 Mục tiêu ................................................................................................................ 27
1.7 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ................................................................................... 28
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ TÍNH TOÁN LÝ THUYẾT ....................................................... 29
2.1 Collector mặt trời dạng tấm phẳng ......................................................................... 29
2.1.1 cấu tạo ............................................................................................................ 29
2.1.2 Vật liệu chế tạo.............................................................................................. 30
2.2 Tính toán bức xạ mặt trời....................................................................................... 33
2.2.1 Xác định vị trí của mặt trời [6] ....................................................................... 33

X



2.2.2 Bức xạ mặt trời ............................................................................................... 36
2.2.3 Đặc tính của tấm phủ ...................................................................................... 39
2.3 Cơ sở lý thuyết quá trình sấy [7] ............................................................................ 41
2.3.1 Giới thiệu về sấy ............................................................................................. 41
2.3.2 Động học quá trình sấy [7] ............................................................................. 45
2.3.3 Lý thuyết không khí ẩm [3],[4],[5]................................................................. 50
2.3.4 Cơ sở tính toán quá trình sấy [7] .................................................................... 52
2.4 Yêu cầu tính toán bài toán sấy thực tế với xoài ..................................................... 58
2.4.1 Tính toán cụ thể hệ thống sấy ......................................................................... 58
2.4.2 Tính toán quá trình sấy lý thuyết [7] .............................................................. 59
2.4.3 Tính toán quá trình sấy thực tế ....................................................................... 61
2.5 Tính toán thiết kế bộ phận thu nhiệt collector ....................................................... 66
2.5.1 Chọn các hệ số cho collector [5]..................................................................... 66
2.5.2 Tính toán lượng bức xạ mặt trời mà Collector nhận được ............................. 66
2.5.3 Tính toán thiết bộ phận collector .................................................................... 71
2.5.4 Tính toán lý thuyết nhiệt độ không khí ra khỏi collector: .............................. 72
2.6 Chương trình tính toán hệ thống sấy bằng phần mềm EES ................................... 76
2.6.1 Phần giao diện của chương trình .................................................................... 76
2.6.2 Code của chương trình ................................................................................... 79
2.7 Tính toán chọn quạt: .............................................................................................. 80
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG SẤY ....................................... 82
3.1 Thiết kế hệ thống sấy ............................................................................................. 82
3.1.1 Thiết kế bộ phận thu nhiệt - Collector ............................................................ 82
3.1.2 Thiết kế buồng sấy ......................................................................................... 85
3.1.3 Thiết kế hệ thống điều khiển .......................................................................... 89
3.1.4 Mô hình 3D của toàn hệ thống ....................................................................... 91

3.2 Quy trình chế tạo mô hình ..................................................................................... 94
3.3 Chế tạo và lắp đặt mô hình .................................................................................... 95
3.3.1 Chế tạo buồng sấy ........................................................................................... 96
3.3.2 Chế tạo bộ phận thu nhiệt collector ................................................................ 99

xi



3.3.3 Chế tạo hệ thống điều khiển cho mô hình .................................................... 102
CHƯƠNG 4: SO SÁNH, PHÂN TÍCH VÀ KẾT LUẬN THỰC NGHIỆM QUÁ
TRÌNH SẤY XOÀI ........................................................................................................ 111
4.1 Mục tiêu và nội dung thử nghiệm cần tiến hành ..................................................111
4.1.1 Mục tiêu thử nghiệm ..................................................................................... 111
4.1.2 Nội dung thử nghiệm cần tiến hành ............................................................. 111
4.2 Chuẩn bị nguyên liệu ........................................................................................... 113
4.2.1 Lựa chọn nguyên liệu ................................................................................... 113
4.2.2 Rửa sạch, cắt lát và sắp khay........................................................................ 113
4.3 Tiến hành thí nghiệm ...........................................................................................114
4.3.1 Sơ đồ thí nghiệm ........................................................................................... 114
4.3.2 Thiết bị đo .................................................................................................... 118
4.3.3 Quy trình thí nghiệm .................................................................................... 121
4.4 Kết quả thí nghiệm .............................................................................................. 123
4.4.1 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng lý thuyết ................................... 123
4.4.2 So sánh hiệu quả giữa 2 quá trình sấy ĐLTN và ĐLTN kết họp quả cầu hút
nhiệt ......................................................................................................................... 128
4.4.3 Xác định tốc độ gió và khoảng cách giữa 2 khay họp lý cho mô hình sấy.... 130
4.4.4 So sánh và đánh giá chất lượng sấy giữa các phương án phân phối dòng tác
nhân sấy khác nhau .................................................................................................138
4.5 Kết luận................................................................................................................141

4.5.1 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng lý thuyết ................................... 141
4.5.2 So sánh hiệu quả giữa 2 quá trình sấy ĐLTN và ĐLTN kết họp quả cầu hút
nhiệt ......................................................................................................................... 142
4.5.3 Xác định tốc độ gió và khoảng cách giữa 2 khay họp lý cho mô hình sấy.... 142
4.5.4 So sánh và đánh giá chất lượng sấy giữa các phương án phân phối dòng tác
nhân sấy khác nhau ................................................................................................. 142
4.6 Phân tích đóng góp năng lượng mặt trời cho quá trình sấy ................................. 143
Kết luận ................................................................................................................... 146
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................ 147
xii



5.1 Kết luận ............................................................................................................... 147
5.2 Kiến nghị............................................................................................................. 147
5.3 Phương hướng phát triển của đề tài .................................................................... 148
Phụ lục l:Code lập trình EES dựa vào lý thuyết chưong 2 phần bức xạ mặt tròi. .149
Phụ lục 2: Code chương trình hệ thống khiển của hệ thống sấy ............................... 157
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 180

xiii



PHỤ LỤC HÌNH
Hình 1.1 Sản phẩm sau khi được sấy bằng phơi trực tiếp bức xạ mặt ười ...................... 1
Hình 1.2 Lượng bức xạ trung bình của một số quốc gia có đặt tính khí hậu giống hoặc
gần giống Việt Nam [20] ................................................................................................. 3
Hình 1.3 Phân loại sấy năng lượng mặt ười ..................................................................... 6
Hình 1.4 Biến thể của mô hình ........................................................................................ 8

Hình 1.5 Mô hình sấy khoai mì, chuối và xoài ở Yamoussoukro, Côte d'lvohe (Châu
Phi). [12] ....................................................................................................................... 9
Hình 1.6 Cấu tạo của hệ thống bức xạ mặt ười chiếu gián tiếp vào sản phẩm sấy [10] .9
Hình 1.7 Mô hình thực nghiệm sấy đậu xanh, hành tây, cà chua bằng năng lượng mặt
ười ĐLTN với bức xạ gián tiếp vào vật liệu sấy ở trường đại học Tanta thuộc Ai cập
[13] ................................................................................................................................. 11
Hình 1.8 Hệ thống sấy năng lượng mặt ười thụ động kết hợp trực tiếp và gián tiếp[10].
....................................................................................................................................... 12
Hình 1.9 Nguyên lý lưu thông không khí ưong hệ thống sấy năng lượng mặt ười chủ
động bức xạ trực tiếp vào sản phẩm sấy [11] ................................................................ 13
Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động của sấy năng lượng mặt ười kiểu chủ động bức xạ gián
tiếp .................................................................................................................................. 13
Hình 1.11 Mô hình thực nghiệm sấy đậu xanh và dứa ở Chennai, India (Ân độ).[ 14]. 14
Hình 1.12 Hệ thống sấy năng lượng mặt ười chủ động bức xạ loại kết họp ................. 14
Hình 1.13 Cấu tạo của mô hình sấy mận ....................................................................... 15
Hình 1.14 Mô hình thực tế sấy mận cách 460 km hướng tây của Kunming, China.[15]
........................................................................................................................................ 15
Hình 1.15 Mô hình thực nghiệm sấy ớt đỏ và nho ở tại trung tâm nghiên cứu công nghệ
năng lượng ở Borj Cedria của Tunisia (Bắc Phi).[16] .................................................. 16
Hình 1.16 Cấu tạo chính của mô hình sấy tác giả Nguyễn Vãn Hạp ............................ 16
Hình 1.17 Máy sấy năng lượng mặt ười với 2 cánh phản xạ tập trung bức xạ vào bộ
phận thu .......................................................................................................................... 17
Hình 1.18 Mô hình thực nghiệm sấy hủ tiếu bằng năng lượng mặt ười kết hợp hóa ưấu
khí.................................................................................................................................. 17
xiv