Tính toán phân tích hiệu quả làm việc của hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh theo phương pháp Exergy

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

TRỊNH TRUNG DŨNG

TÍNH TỐN, PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA HỆ
THỐNG BƠM NHIỆT SẤY LẠNH THEO PHƯƠNG PHÁP EXEGY

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

Hà Nội, 2006


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

TRỊNH TRUNG DŨNG

TÍNH TỐN, PHÂN TÍCH HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG
BƠM NHIỆT SẤY LẠNH THEO PHƯƠNG PHÁP EXEGY

LUẬN VĂN THẠC SĨ
NGÀNH CÔNG NGHỆ NHIỆT LẠNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN :
TS.PHẠM VĂN TÙY

Hà Nội, 2006

Mục lục
Lời Mở đầu ................................................................................................... 1
Chương 1: Tổng quan về hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh......... 3
1.1. Định nghĩa, phân loại các phương pháp sấy ........................................... 3
1.1.1. Định nghĩa ..................................................................................... 3
1.1.2. Phân loại các phương pháp sấy....................................................... 3
1.2. So sánh phương pháp sấy lạnh dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp
với các phương pháp sấy khác ............................................................... 7
1.3. Công nghệ hút ẩm và sấy khô dùng bơm nhiệt ....................................... 9
1.4. Tổng quan một số công trình nghiên cứu về sấy bằng bơm nhiệt ...........14
1.4.1. Các tác giả trong nước....................................................................14
1.4.2. Các tác giả nước ngoài ...................................................................18
Chương 2: Các Phương pháp nghiên cứu hệ thống
nhiệt - lạnh ...........................................................................28
2.1. Phương pháp năng lượng nghiên cứu các quá trình nhiệt - lạnh ..............28
2.1.1. Khái niệm về năng lượng và phân loại ...........................................28
2.1.2. Phương pháp năng lượng ................................................................31
2.2. Phương pháp entropy nghiên cứu các quá trình nhiệt - lạnh ...................33
2.2.1. Khái niệm về entropy ................................................................33
2.2.2. Định luật nhiệt động thứ hai ......................................................34
2.2.3. Phương pháp entropy ................................................................35
2.3. Phương pháp exergy nghiên cứu các quá trình nhiệt - lạnh .....................35
2.3.1. Khái niệm về exergy .................................................................35
2.3.2. Phương pháp exergy ..................................................................36
2.4. Phương pháp exergy nghiên cứu hiệu quả làm việc
của các hệ thống nhiệt - lạnh ...............................................................37
2.4.1. Các nghiên cứu trong n­íc.............................................................37


2.4.2. Các nghiên cứu nước ngoài ............................................................41

Chương 3: Phương pháp năng lượng - exergy
nghiên cứu hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh..............58
3.1. Công thức tính toán, phương trình cân bằng exergy ...............................58
3.1.1. Công thức tính toán exergy ............................................................58
3.1.2. Phương trình cân bằng exergy ........................................................61
3.2. Thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng - exergy
trong hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh ........................................................64
3.3. Xây dựng chương trình tính toán hiệu quả làm việc
hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh...................................................................69
3.3.1. Giới thiệu về phần mềm EES .........................................................69
3.3.2. Chương trình tính toán hiệu quả hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh ........73
Chương 4: nghiên cứu thực nghiệm và đánh giá hiệu quả
làm việc của hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh .........76
4.1. Nghiên cứu thực nghiệm hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh ...........................76
4.1.1. Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm ................................................76
4.1.2. Phương pháp đo đạc .......................................................................78
4.1.3. xử lý kết quả thực nghiệm và đánh giá sai số đo đạc .....................81
4.1.3.1. Xử lý kết quả thực nghiệm .....................................................81
4.1.3.2. Đánh giá sai số đo đạc ...........................................................84
4.2. Đánh giá ảnh hưởng của các thông số đến hiệu quả làm việc
của hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh ............................................................85
Chương 5: Tóm tắt, kết luận và các đề xuất
mở rộng phạm vi nghiên cứu ........................................89
5.1. Tóm tắt và kết luận ................................................................................89
5.2. Các đề xuất mở rộng phạm vi nghiên cứu ..............................................90
Tài liệu tham khảo
Phụ lôc


Lời mở đầu

Lời mở đầu
So với điện năng, cơ năng và các dạng năng lượng khác thì nhiệt năng
có đặc tính rất riêng của nó, đó là khả năng biến đổi hạn chế thành các dạng
năng lượng khác. Đặc tính này làm cho các quá trình nhiệt - lạnh là những quá
trình không thuận nghịch, luôn kèm theo sự giảm giá trị và sự xuống cấp của
năng lượng. Vì vậy, phương pháp tính toán và công nghệ sử dụng nhiệt năng
trong các quá trình nhiệt - lạnh vẫn còn tồn tại nhiều vấn đề phải tiếp tục
nghiên cứu và hoàn thiƯn.
Cho ®Õn nay, ng­êi ta th­êng hay sư dơng hƯ số hiệu quả (Coffiencient
of Performance - COP) để tính toán, phân tích, đánh giá hiệu quả của một hệ
thống lạnh. Hệ số COP được xác định trên cơ sở phân tích cân bằng năng
lượng của hệ thống. Tuy COP là một dạng của hiệu suất nhiệt dùng cho chu
trình ngược chiều trong phạm vi nhiệt độ thấp nhưng thường lại có giá trị lớn
hơn 1. Do đó, COP rất nghèo nàn về ý nghĩa khoa học và không thể là đại
lượng để đánh giá hiệu quả của hệ thống lạnh nói chung và hệ thống bơm
nhiệt sấy lạnh nói riêng.
Như vËy, trong mét hƯ thèng nhiƯt - l¹nh, chóng ta còn thiếu một tiêu
chuẩn chung để xem xét mức độ hiệu quả của quá trình và thiết bị, cũng như
không thể xem các tính toán cân bằng nhiệt là cơ sở chung các bài toán nhiệt lạnh khác nhau. Sở dĩ như vậy là vì phương pháp cân bằng năng lượng mới chỉ
là phương pháp phản ánh mặt số lượng của quá trình biến đổi năng lượng chứ
chưa nói lên mặt chất lượng của nó. Nói khác đi, khi sử dụng phương pháp cân
bằng năng lượng, ta chưa dựa trên những cơ sở của định luật II nhiệt động học.
Để đánh giá một cách chính xác hiệu quả làm việc của hệ thống nhiệt lạnh nói chung và hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh nói riêng, phải sử dụng phương
pháp phân tích đồng thời cả mặt số lượng và chất lượng của năng lượng,
chẳng hạn như phương pháp exergy, được biĨu thÞ qua hiƯu st exergy
(exergy efficiency - η e ). Nó chẳng những biểu thị mức độ thực của việc sử
R

R

Trịnh Quốc Dũng Cao học Nhiệt lạnh 2004 - 2006

1


Lời mở đầu
dụng năng lượng hữu ích mà còn chỉ ra phương hướng và tầm quan trọng của
các biện pháp cần đạt được để cải thiện và nâng cao hiệu quả làm việc của hệ
thống. Một đặc điểm rất quan trọng khi khảo sát hệ thống nhiệt - lạnh là phân
tích các chu trình nhiệt động của môi chất với các quá trình thực, không thuận
nghịch. Môi chất trong chu trình lạnh chịu sự biến đổi trạng thái liên tục và
tham gia vào các quá trình trao đổi nhiệt và công.
Vì những lẽ đó, đề tài đà trình bày phương pháp phân tích hiệu quả làm
việc của hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh trên cơ sở hiệu suất exergy và các đặc
điểm của các quá trình biến đổi không thuận nghịch xảy ra trong hệ thống.
Việc thiết lập các quan hệ tính toán phân tích hiệu quả hệ thống bơm nhiệt sấy
lạnh được thực hiện theo phương pháp exergy. ĐÃ tiến hành nghiên cứu thực
nghiệm xác định ảnh hưởng của nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ bốc hơi đến hiệu
suất exergy, hƯ sè COP cđa hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh trên máy sấy lạnh và
hút ẩm đa năng BK - BSH 1.4, sản phẩm của Dự án ươm tạo Công nghệ 2005
- 04, hiện đang có tại Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh.
Việc xác định hiệu quả làm việc của một hệ thống nhiệt - lạnh là một
vấn đề phức tạp vì nó phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố. Vì vậy, những gì đạt
được trong đề tài này chỉ là những kết quả nhỏ bé bước đầu, do đó rất cần
được tiếp tục nghiên cứu và triển khai ứng dụng rộng rÃi hơn. Rất mong nhận
được sự góp ý và chỉ bảo của thầy cô và các bạn đồng nghiệp.

Trịnh Quốc Dũng Cao học NhiƯt l¹nh 2004 - 2006

2


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh

CHƯƠNG 1: TổNG QUAN về hệ thống bơm nhiệt
sấy lạnh
1.1. Định nghĩa, phân loại các phương pháp sấy
1.1.1. Định nghĩa
Quá trình sấy là quá trình chất lỏng hoặc hơi có trong vật liệu sấy (VLS)
mà chủ yếu là ở dạng nước hoặc hơi nước dịch chuyển từ trong lòng vật ra bề mặt
và nhờ tác nhân sấy (TNS) mang thải vào môi trường. ở đây các quá trình truyền
nhiệt - truyền chất xảy ra đồng thời. Trong lòng VLS đó là quá trình dẫn nhiệt và
khuyếch tán ẩm hỗn hợp. Trao đổi nhiệt - ẩm giữa bề mặt VLS với môi trường
hay TNS là quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm đối lưu liên hợp.
1.1.2. Phân loại các phương pháp sấy
Dựa vào trạng thái TNS hay cách tạo ra động lực quá trình dịch chuyển
nhiệt - ẩm, người ta phân ra thành hai phương pháp sấy, đó là phương pháp sấy
lạnh và phương pháp sấy nóng [1].
1.1.2.1. Phương pháp sấy nóng
Trong phương pháp sấy nóng, để tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước
giữa TNS và VLS, cã thĨ cung cÊp nhiƯt ®Ĩ ®èt nãng cho TNS, VLS hoặc cả TNS
và VLS. Vì vậy, các hệ thống sấy nóng thường được phân loại theo phương pháp
cấp nhiệt nh­ sau:
a. HƯ thèng sÊy ®èi l­u
VLS nhËn nhiƯt ®èi lưu từ một dịch thể nóng, thường là không khí hoặc
khói lò. Đây là loại hệ thống sấy (HTS) phổ biến nhất trong phương pháp sấy
nóng. Trong hệ thống sấy đối lưu, người ta lại phân ra các loại: HTS buồng, HTS
hầm, HTS thùng quay, HTS tháp, HTS khí động,

Trịnh Qc Dịng – Cao häc nhiƯt l¹nh 2004 - 2006

3


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy l¹nh
b. HƯ thèng sÊy tiÕp xóc
VLS tiÕp xóc trùc tiÕp và nhận nhiệt từ một bề mặt nóng. Như vậy, trong
các HTS tiếp xúc người ta tạo ra độ chênh phân áp suất nhờ tăng phân áp suất hơi
nước trên bề mặt VLS. Trong số này ta thường gặp HTS lô, HTS tang,
c. Hệ thống sấy 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 khuyếch tán vào môi trường. Rõ ràng, trong HTS bức xạ,
độ chênh phân áp suất hơi nước giữa VLS và môi trường được tạo ra chỉ bằng
cách đốt nóng vật.
d. Các hệ thống sấy khác
Ngoài ba HTS nói trên, trong các HTS nóng còn có các HTS dùng dòng
điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường để đốt nóng vật. Trong các
HTS loại này, khi VLS đặt trong một trường điện từ thì trong vật xuất hiện các
dòng điện và chính dòng điện này đốt nóng vật. Như vậy, giống như các HTS bức
xạ và HTS 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 trong thực tế.
Chú ý rằng, trong các HTS bức xạ cũng như HTS dùng dòng điện cao tần
hoặc trường điện từ, độ chênh phân áp suất không chỉ trên bề mặt mà cả trong
lòng VLS cũng được tăng lên. Do đó, hiệu ứng Luikov giữa dẫn nhiệt và khuyếch
tán ẩm được hạn chế [1].
1.1.2.2. Phương pháp sấy lạnh
Khác với phương pháp sấy nóng, trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo
ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa VLS và TNS bằng cách giảm phân áp

suất trong TNS nhờ giảm lượng chứa ẩm. ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề
mặt ngoài của vật nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với
không khí có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên lớp bề mặt cũng có phân
áp suất hơi nước nhỏ hơn phía bên trong vật. Nói khác đi, ở đây gradient nhiệt độ

Trịnh Quốc Dũng Cao học nhiƯt l¹nh 2004 - 2006

4


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
và graient áp suất có cùng dấu nên graient nhiệt độ không kìm hÃm quá trình
dịch chuyển ẩm như khi sấy nóng mà ngược lại, nó có tác dụng tăng cường quá
trình dịch chuyển ẩm trong lòng vật ra ngoài để bay hơi làm khô vật. 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 hoặc cũng có thể nhỏ hơn 0 0 C. Phương pháp sấy lạnh có thể
P

P

phân thành hai loại HTS [1]:
Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 0 0 C
P

P

a. HTS thăng hoa
Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi VLS trực tiếp từ trạng thái rắn biến
thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa. Để tạo ra quá trình thăng hoa, VLS
phải được làm lạnh dưới điểm ba thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu t < 0 0 C và áp

P

P

suất TNS bao quanh vËt p < 610 Pa. Tõ ®ã, VLS nhËn được nhiệt lượng để ẩm từ
trạng thái rắn thăng hoa thành thể khí và vào môi trường. Như vậy, trong các HTS
thăng hoa, phải tạo được chân không xung quanh VLS và làm lạnh vật xuông
dưới 0 0 C.
P

P

+ Ưu điểm: Phương pháp này gần như bảo toàn được chất lượng sinh, hoá học
của sản phẩm bao gồm: màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính,
+ Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư cao, phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh
(để kết đông sản phẩm và làm ngưng kết hơi nước)
- Hệ thống cồng kềnh nên vận hành phức tạp, chi phí vận hành và bảo
dưỡng lớn.
Sấy thăng hoa thường được ứng dụng để sấy sản phẩm quý, dễ biến chất do
nhiệt như: máu, vắc xin,
b. HTS chân không
Phương pháp sấy chân không là phương pháp tạo ra môi trường gần như
chân không trong buồng sấy, nghĩa là áp suÊt TNS bao quanh vËt p > 610 Pa. Khi
nhËn được nhiệt lượng, các phần tử nước trong VLS ở thể rắn sẽ chuyển sang thể
lỏng, sau đó mới chuyển sang thể hơi và đi vào môi trường.

Trịnh Quốc Dũng – Cao häc nhiƯt l¹nh 2004 - 2006

5

Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
+ Ưu điểm: Giữ được chất lượng sản phẩm, đảm bảo điều kiện vệ sinh.
+ Nhược điểm: Hệ thống có chi phí đầu tư lớn, vận hành phức tạp.
Phương pháp sấy chân không thường chỉ sấy các loại VLS là các sản phẩm
quý, dễ biến chất.
Do tính phức tạp và không kinh tế nên các HTS thăng hoa, HTS chân
không chỉ dùng để sấy những VLS quí hiếm, không chịu được nhiệt độ cao. Vì
vậy, các HTS này là những HTS chuyên dùng, không phổ biến.
Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 0 0 C
P

P

a. Phương pháp sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hợp với 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 ữ 15 0 C.
P

P

+ Ưu điểm:
- Năng suất hút ẩm khá lớn.
- Khả năng giữ chất lượng, hàm lượng dinh dưỡng sản phẩm cũng khá tốt
(phụ thuộc vào nhiệt độ sấy).
+ Nhược điểm:
- Chi phí đầu tư ban đầu khá lớn do phải sử dụng cả máy hút ẩm chuyên
dụng và máy lạnh

- Chất hút ẩm phải thay thế theo định kỳ
- Vận hành khá phức tạp nên chi phí vận hành lớn
- Điện năng tiêu tốn lớn do cần chạy máy lạnh và đốt nóng dây điện trở
để hoàn nguyên chất hấp phụ
- Lắp đặt phức tạp, khó điều chỉnh các thông số để phù hợp với công
nghệ
- Trong môi trường có bụi, cần dừng máy để vệ sinh chất hấp phụ gây
khó khăn, tốn kém, hiệu quả không cao.

Trịnh Quốc Dũng – Cao häc nhiƯt l¹nh 2004 - 2006

6


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
b. Phương pháp dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp
Trong phương pháp này, người ta chỉ dùng một hệ thống bơm nhiệt để tạo
ra môi trường sấy. Nhiệt độ môi trường sấy có thể điều chỉnh trong giới hạn khá
rộng từ nhiệt độ xấp xỉ môi trường đến nhiệt độ âm, tùy thuộc yêu cầu của VLS.
Khác với các thiết bị nhiệt lạnh khác, khi sử dụng bơm nhiệt để sấy khô và hút
ẩm thì cả dàn nóng và dàn lạnh đều được sử dụng hữu ích nên năng lượng tiêu
thụ ở đây có thể được tận dụng đến mức cao nhất mà nhiệt độ không khí lại có
thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ môi trường hoặc thấp hơn [1].
+ Ưu điểm:
- Khả năng giữ màu sắc, mùi vị và vitamin đều tốt
- Tiết kiệm năng lượng nhờ sử dụng cả năng lượng dàn nóng và dàn lạnh,
hiệu quả sử dụng nhiệt cao
- Bảo vệ môi trường, tuổi thọ thiết bị cao, vận hành an toàn
- Có khả năng điều chỉnh nhiệt độ TNS tùy thuộc vào yêu cầu và khả
năng chịu nhiệt của từng loại sản phẩm nhờ thay đổi công suất nhiệt của

dàn ngưng trong
- Công suất khá lớn
- Chi phí đầu tư hệ thống thấp hơn so với các phương pháp sấy lạnh khác
- Vận hành đơn giản.
+ Nhược điểm:
- Thời gian sấy thường khá lâu do độ chênh phân áp suất hơi nước giữa
VLS và TNS không lớn
- Phải có giải pháp xả băng sau một thời gian làm việc.
1.2. So sánh phương pháp sấy lạnh dùng bơm nhiệt nhiệt
độ thấp với các phương pháp sấy khác
Trong [3], các loại rau củ thực phẩm và dược liệu như cà rốt, củ cải, hành
lá, dứa, mít, nhÃn, măng cụt, hành tây, hỗn hợp dịch ép gừng và bột avicel,... đÃ
được sấy thử nghiệm với khoảng thông số nhiệt độ sấy t = 25 ữ 40 0 C, tốc độ gió
P

Trịnh Quốc Dũng Cao học nhiƯt l¹nh 2004 - 2006

P

7


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
= 2,2 ữ 4 m/s. Màu sắc, mùi vị, hàm lượng chất dinh dưỡng và trạng thái vật
sấy được bảo toàn hơn hẳn các công nghệ sấy nóng truyền thống, ngay cả khi so
sánh với kỹ thuật sấy hiện đại bằng tia hồng ngoại. Bảng 1.1 so sánh các phương
pháp sấy khác với phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp dựa
theo kết quả của Viện Công nghệ Thực phẩm, Sở Công nghiệp Hà Nội.
Bảng 1.1. Đánh giá so sánh chất lượng sản phẩm sấy bằng phương pháp sấy nóng truyền thống và sấy
hồng ngoại với phương pháp sấy bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp

Phương pháp sấy
TT

1
2
3
4
5
6
7
8
9

Chỉ tiêu so sánh

Sấy nóng

Chất lượng sản phẩm (màu Kém hơn
sắc, mùi vị, vitamin)
rất nhiều
Giá thành sản phẩm
Thấp hơn
Thời gian sấy
Ngắn hơn
Thường
Chi phí đầu tư ban đầu
thấp hơn
Thường rẻ
Chi phí vận hành, bảo dưỡng

hơn
Khả năng điều chỉnh nhiệt độ
Khó hơn
TNS theo yêu cầu công nghệ
Thường
Vệ sinh an toàn thực phẩm
kém hơn
Thường
Bảo vệ môi trường
kém hơn
Phạm vi ứng dụng

Rộng hơn

Sấy thăng hoa
và chân không

Sấy lạnh sử dụng máy
hút ẩm kết hợp máy
lạnh

Tốt hơn

Bằng nhau

Đắt hơn nhiều
Ngắn hơn

Đắt hơn
Lớn hơn hoặc bằng

Cao hơn nhiều

Cao hơn

Đắt hơn nhiều

Đắt hơn

Khó hơn

Khó hơn

Tốt hơn

Bằng nhau

Như nhau

Kém hơn

Hẹp hơn

Hẹp hơn

Từ kết quả của Viện Công nghệ Thùc phÈm [3], cã thĨ rót ra mét sè kÕt
ln:
a. So với sấy lạnh sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hợp với máy lạnh
Sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp tỏ ra có ưu thế vượt trội về chi
phí đầu tư ban đầu, giảm tiêu hao điện năng. Do vậy, với điều kiện của Việt Nam

thì nên dùng phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp. Trong thực
tế, ở một số nhà máy nhập dây chuyền công nghệ sấy lạnh sử dụng máy hút ẩm

Trịnh Quốc Dũng Cao học nhiệt lạnh 2004 - 2006

8


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
chuyên dụng kết hợp với máy lạnh không đạt hiệu quả, đà và đang chuyển sang
dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp, điển hình là công ty bánh kẹo Hải Hà.
b. So với sấy thăng hoa và sấy chân không
Chất lượng sản phẩm của hai phương pháp sấy này thường tốt hơn sấy lạnh
sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp nhưng các chỉ tiêu quan trọng 2 và 5 lại kém
hơn nên chỉ nên áp dụng hai phương pháp này khi yêu cầu về chất lượng sản
phẩm rất cao (chỉ tiêu 1, 7), còn lại nên sử dụng phương pháp sấy lạnh bằng bơm
nhiệt nhiệt độ thấp.
c. So sánh với sấy nóng
Nhìn chung, có một số vật liệu sấy lạnh không có hiệu quả như sấy gỗ, các
loại hoa quả có vỏ dày thì buộc phải sử dụng sấy nóng. Đối với các vật liệu còn
lại, nếu VLS nhạy cảm với nhiệt, dễ mất màu, mùi, chất dinh dưỡng, giá thành
sản phẩm (chỉ tiêu 2) được thị trường chấp nhận và thời gian sấy (chỉ tiêu 3)
không đòi hỏi phải nhanh thì nên sấy lạnh bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp.
Như vậy, phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp tỏ ra có hiệu
quả, nhất là đối với một số sản phẩm đặc thù (nhạy cảm với nhiệt độ). Tùy trường
hợp cụ thể, xem xét các chỉ tiêu trong bảng 1.1, chỉ tiêu nào là quan trọng thì
quyết định phương pháp sấy phù hợp.
1.3. Công nghệ hút ẩm và sấy khô dùng bơm nhiệt
ở hầu hết các nước phát triển ở châu Âu và Bắc Mỹ, nhu cầu hút ẩm cho
các công trình công cộng và nhà ở gia đình hầu như không đặt ra vì bình thường

độ ẩm đà không cao, lại thường có các hệ thống ĐHKK đảm nhận cả chức năng
khử ẩm. Trong các kho bảo quản tư liệu, sách báo, phim ảnh, văn hoá phẩm,...
nhu cầu chính vẫn là độ ẩm, còn nhiệt độ dù có cao hơn nhiệt độ môi trường (vốn
đà không cao) vài ba độ thì vẫn trong giới hạn cho phép. Do vậy cho những nhu
cầu này chỉ cần dùng máy hút ẩm kiểu bơm nhiệt (hình 1.1) là đủ.

Trịnh Quốc Dịng – Cao häc nhiƯt l¹nh 2004 - 2006

9


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh

Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý máy bài ẩm Edison (Mỹ)

Các máy hút ẩm thông dụng kiểu này trên thị trường Việt Nam lưu hành
phổ biến là các loại máy của Nhật và của Mỹ như máy Edison có năng suất hút
ẩm định mức (thông số ngoài trời là 30 0 C, 80%) từ 10 đến 35 lít/ngày, điện năng
P

P

tiêu thụ từ 0,2 đến 0,68 kW, môi chất lạnh sử dụng là R134a [3].
Trong những trường hợp đặc biệt do yêu cầu công nghệ, độ ẩm tương đối
phải thấp hơn khoảng 50 đến 55% thì người ta thường phải dùng đến máy bài ẩm
chuyên dùng làm việc theo nguyên lý hấp thụ rắn, chẳng hạn như kiểu máy
Munters của Thụy Điển. Tuy nhiên, kiểu máy này có nhược điểm rất lớn là tiêu
hao điện năng nhiều, vốn đầu tư lớn, nhất là khi yêu cầu có cả độ ẩm và nhiệt độ
nhỏ. Ngoài ra cũng cần tốn kém thêm kinh phí để thay thế chất hút ẩm (phải nhập
ngoại) và vấn đề phòng chống cháy nổ cũng khó khăn phức tạp hơn do phải dùng

dàn điện trở công suất lớn gia nhiệt cho không khí đến 120 ữ 130o C. Khi muốn
P

P

giữ nhiệt độ trong phòng bằng hoặc nhỏ hơn nhiệt độ môi trường thì phải trang bị
thêm máy lạnh có công suất và giá thành khá lớn.
Tại những nước có khí hậu ôn đới hay hàn đới, do có khí hậu lạnh và khô
nên vấn đề sấy khô được giải quyết tương đối đơn giản và dễ dàng. Với các hệ
thống điều hoà không khí và khử ẩm thông thường độ ẩm đà có thể đạt tới 50%
và nhỏ hơn trong điều kiện nhiệt độ không vượt quá 20 ữ 30 o C. Đây là điều kiện
P

Trịnh Quốc Dũng – Cao häc nhiƯt l¹nh 2004 - 2006

P

10


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
vi khí hậu mà nhiều quá trình sản xuất công nghệ như các ngành in và phần lớn
công nghệ sản xuất bánh kẹo,... yêu cầu. Với những quá trình sản xuất đòi hỏi
nhiệt độ thấp hơn, ví dụ từ 8 ữ 18 o C với công nghệ sản xuất kẹo Chocolat thì độ
P

P

ẩm yêu cầu không quá thấp (khoảng 45 5%) nên các hệ thống lạnh và ĐHKK
vẫn có khả năng giải quyết được, vì phần lớn thời gian trong năm, nhiệt độ (và

nhiều khi cả độ ẩm) của môi trường ngoài cũng có giá trị như vậy, thậm chí nhiệt
độ còn thấp hơn. Với một số mặt hàng như kẹo Jelly, Gelatin và các rau quả cần
sấy khô ở môi trường nhiệt độ 20 ữ 25 o C và độ ẩm 30 ữ 40%, trong trường hợp
P

P

cần thiết người ta có thể dùng kết hợp máy ĐHKK và máy hút ẩm chuyên dụng
kiểu hấp phụ. Để hút ẩm hay sấy khô các vật phẩm có thể chịu được nhiệt độ từ
50 ữ 60 o C hay cao hơn người ta hay sử dụng các hệ thống bơm nhiệt chuyên
P

P

dụng như khi sấy gỗ, da, malt đại mạch,...
Việc sử dụng bơm nhiệt cho các nhu cầu cung cấp nước nóng, sấy, sưởi và
điều hoà không khí là giải pháp ưu tiên hàng đầu ở các nước Tây âu, Mỹ và Nhật
Bản. ở Pháp, người ta đà tổng kết rằng ở mọi loại hình sấy nếu không sử dụng
bơm nhiệt đều là lÃng phí về năng lượng. Đến năm 1987, Pháp đà có tới 6000 xí
nghiệp có sử dụng bơm nhiệt, trong đó có 300 bơm nhiệt có công suất lớn hơn
30kW.
Nhật Bản là nước có thị trường bơm nhiệt với số lượng lớn nhất thế giới [6]
nhưng khác với châu Âu, ở Nhật bơm nhiệt dùng cho ĐHKK và khử ẩm rất được
chú ý và tăng trưởng mạnh để thÝch nghi víi ®iỊu kiƯn khÝ hËu trong n­íc. øng
dơng bơm nhiệt mạnh nhất ở Nhật Bản là lĩnh vực ĐHKK dân dụng. Hàng năm,
Nhật Bản bán ra thị trường hơn 3 triệu máy ĐHKK cục bộ thì gần 1/3 là máy một
chiều lạnh, còn lại là máy hai chiều dạng bơm nhiệt. Bơm nhiệt để ĐHKK cho
các công trình công cộng hàng năm cũng chiếm khoảng 50% tổng số thiết bị sản
xuất ra. Sản lượng bơm nhiệt cung cấp cho nhu cầu ĐHKK cục bộ (Room Air
Conditioner - RAC) sản xuất ra năm 1996 tại Nhật Bản đạt mức 8 triệu, năm

Trịnh Quốc Dũng Cao học nhiệt lạnh 2004 - 2006

11


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
1997 là 7 triệu. Mức độ tăng trưởng của RAC năm 1997 vào khoảng 81% (trong
đó có 62% dưới dạng bơm nhiệt). Ngoài ra, Nhật Bản cũng là nước rất chú trọng
đến việc sử dụng bơm nhiệt hấp thụ và bơm nhiệt đốt khí cho nhu cầu ĐHKK
trong các cao ốc thương mại, các hệ thống sưởi ấm, làm lạnh và đồng phát nhiệt điện. Thị phần của bơm nhiệt đốt khí tăng từng năm, chiếm 13,1% trong tổng
công suất của thị trường làm lạnh của Nhật Bản năm 1997 [6].
Nhờ có chính sách mở cửa và sự chảy vào của những dòng ngoại tệ, nền
kinh tế của Trung Quốc phát triển một cách thần kỳ kể từ nửa cuối thập kỷ 80.
Cũng cùng thời gian này, nhu cầu về ĐHKK chuyển từ công nghiệp sang sử dụng
thương mại. Nhu cầu về ĐHKK cục bộ và ĐHKK tổ hợp gọn công suất lớn ở
Trung Quốc tăng đột biến, tới 40 lần trong năm 1997 so với năm 1990. Năm
1997, bơm nhiệt chiếm khoảng 60% thị phần sử dụng trong công nghiệp ĐHKK
ở Trung Quốc [7].
Mỹ là nước dẫn đầu về bơm nhiệt công suất lớn, chiếm tới 50% nhu cầu sử
dụng của toàn thế giới. Hàng năm có khoảng hơn 30% các cao ốc xây dựng mới
trang bị hệ thống ĐHKK kiểu bơm nhiệt [3].
Cho tới nay, hầu hết các bơm nhiệt dùng cho các mục đích sấy, sưởi, cung
cấp nước nóng... đều sử dụng môi chất lạnh R22 (chiếm khoảng 80%). Trước đây
người ta thường dùng R12, chiếm gần 20% và một số ít hệ thống công nghiệp
dùng NH 3 . Ngày nay, do yêu cầu bảo vệ tầng ôzôn và giảm phát thải khí gây hiệu
R

R

ứng nhà kính, việc lựa chọn môi chất lạnh thay thế cho các chất CFC dùng trong
các hệ thống lạnh cũng như bơm nhiệt đang được nhiều nước tập trung nghiên
cứu và phát triển. Chẳng hạn như các nước châu Âu như: Đức, Thụy Sỹ, Thụy
Điển, áo, đà và đang sử dụng các hyđrô cacbon (HC), NH 3 , CO 2 làm môi chất
R

R

R

R

thay thế cho các chất CFC đà bị cấm sử dơng [7].
ë ViƯt Nam, tuy khÝ hËu nãng Èm, cã rất nhiều lĩnh vực sản xuất, quá trình
và thiết bị công nghệ đòi hỏi phải được làm khô môi trường hoặc vật phẩm ở

Trịnh Quốc Dũng Cao học nhiệt l¹nh 2004 - 2006

12


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
nhiệt độ thấp nhưng hút ẩm và sấy lạnh chưa thành một công nghệ riêng thích
ứng với điều kiện, hoàn cảnh cũng như trình độ khoa học kỹ thuật của Việt Nam.
Một số ngành như thư viện, các cơ quan lưu trữ, bảo quản tư liệu phim ảnh, tài
liệu, ấn phẩm,... tuy có yêu cầu độ ẩm, nhiệt độ thấp, nhất là về độ ẩm, nhưng
cũng thường chỉ được đáp øng mét c¸ch ­íc lƯ nhê sư dơng c¸c m¸y hút ẩm hoặc
máy điều hoà nhiệt độ thông thường. Vì vậy chất lượng môi trường vi khí hậu đạt
được thường thấp, nhiệt độ, độ ẩm thường vượt trên giới hạn cho phép. Từ mấy
năm gần đây, một số cơ sở sản xuất và kho lưu trữ có sử dụng các máy hút ẩm

chuyên dùng (kiểu hấp phụ) kết hợp với máy điều hoà nhiệt độ nhưng còn mang
tính chất manh mún, chắp vá, chưa điều khiển được chế độ hoạt động tối ưu, đặc
biệt là tối ưu kinh tế - kỹ thuật khi môi trường yêu cầu có nhiệt độ thấp.
ở các môi trường công nghiệp chế biến một số mặt hàng đặc biệt như
trong các phân xưởng sản xuất kĐo chocola, kĐo caramen, Gelatin, kĐo Jelly,...
ng­êi ta ®· trang bị đồng bộ dây chuyền chế biến đảm bảo công nghệ chế biến
sản phẩm và thông số chế độ ôn Èm ®é. Tuy vËy, trong ®iỊu kiƯn khÝ hËu ViƯt
Nam các hệ thống đắt tiền, tốn nhiều ngoại tệ để tạo dựng này thường lại không
đảm bảo thông số chế độ về mùa mưa và nóng ẩm. Ví dụ, dây chuyền chế biến
kẹo caramen tại Công ty Bánh kẹo Hải Hà trước đây tuy đà được trang bị với vốn
đầu tư gần 2 tỷ đồng có máy lạnh công suất lớn hiện đại để làm lạnh khử ẩm
nhưng độ ẩm vẫn thường đạt lớn hơn 50%, vào những ngày trời nồm, không đảm
bảo thông số công nghệ (nhiệt độ t = 20 ÷ 22 0 C, ϕ ≤ 50%).
P

P

ë mét số cơ sở bảo quản vật phẩm yêu cầu nhiệt độ và độ ẩm nhỏ hoặc
trong một số nhà máy chế biến nông sản thực phẩm, để thực hiện quá trình hút
ẩm hay sấy lạnh người ta đà sử dụng các máy hút ẩm chuyên dụng phải nhập
bằng ngoại tệ, giá cả cao, điện năng tiêu thụ nhiều, lại phải định kỳ thay chất hút
ẩm ngoại, tốn kém. Trong điều kiện sản xuất công nghiệp nhiều bụi bẩn, các chất
hút ẩm rất nhanh lÃo hoá, giảm nhanh khả năng hấp phơ Èm, trong mét sè tr­êng
hỵp nh­ ë hƯ thèng sấy lạnh kẹo Jelly, người ta đà phải dỡ bỏ tổ hợp máy hút ẩm

Trịnh Quốc Dũng Cao học nhiƯt l¹nh 2004 - 2006

13

Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
chuyên dùng và máy lạnh chỉ sau hơn 1 năm lắp đặt vì không phát huy được tác
dụng. ở các tỉnh phía nam, do đặc điểm khí hậu ổn định và khô hơn nên nhu cầu
này bớt căng thẳng hơn. Trước tình hình đó, từ năm 1997, tác giả Phạm Văn Tuỳ
và các cộng sự [3] đà tìm hiểu nhu cầu thực tế và thực hiện nghiên cứu áp dụng
đầu tiên sử dụng bơm nhiệt để thực hiện chức năng hút ẩm và sấy lạnh thay thế
cho phương pháp sấy dùng tổ hợp máy hút ẩm chuyên dùng kết hợp với máy
lạnh. Qua thực tế sử dụng, hệ thống này đà phát huy những ưu điểm vượt trội so
với các hƯ thèng cị.
Nh­ vËy, viƯc sư dơng b¬m nhiƯt ë các nước phát triển trên thế giới cho
các nhu cầu ĐHKK, hút ẩm, sấy, sưởi, rất được chú trọng. Tuy nhiên, điều đó
chưa được chú trọng nhiều lắm ở các nước đang phát triển, trong đó có Việt Nam,
đặc biệt trong lĩnh vực hút ẩm và sấy khô các nông sản thực phẩm sau phục vụ
cho công nghiệp sau thu hoạch. Hy vọng rằng Nhà nước sẽ có những chính sách
phù hợp để thúc đẩy, mở rộng việc sử dụng bơm nhiệt trong các lĩnh vực của nền
kinh tế nước nhà.
1.4.

tổng quan một số công trình nghiên cứu về sấy

dùng bơm nhiệt
Việc sử dụng bơm nhiệt trong công nghiệp cũng như dân dụng để sấy,
sưởi, hút ẩm, ĐHKK, đà được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trên thế giới.
Tuy nhiên, do giới hạn của luận văn nên ở đây chỉ nêu một số công trình nghiên
cứu này. Sau đây là tổng quan một số công trình nghiên cứu.
1.4.1. Các tác giả trong nước
Tác giả Phạm Văn Tuỳ và các cộng sự [3], [4] đà tiến hành nghiên cứu và
đà ứng dụng thành công hệ thống bơm nhiệt để sấy lạnh kẹo Jely, kẹo Chew,
tại công ty bánh kẹo Hải Hà.
Năm 1997, các tác giả đà thiết kế được một hệ thống sấy theo nguyên lý

bơm nhiệt nhiệt độ thấp kiểu lắp ghép theo môđun để sấy kẹo Jelly với năng suất

Trịnh Quốc Dũng Cao học nhiệt lạnh 2004 - 2006

14


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
1100 kg/ngày. Thông số không khí trong buồng sấy 22 ữ 27 o C, độ ẩm 35 - 45%.
P

P

Sơ đồ nguyên lý của hệ thống này được biểu diễn trên hình 1.2.

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt kiểu môđun
MN - Máy nén

BH - Dàn bay hơi

NT2 - Dµn ng­ng trong

TL - TiÕt l­u

NT1 - Dµn ng­ng ngoài

Hệ thống sấy lạnh kẹo Jelly thứ 2 năng suất 1400 kg/ngày cũng đà được
thiết kế lắp đặt vào đầu năm 1998. Một hệ thống máy hút ẩm hỗ trợ cho dây
chuyền chế biến và hút ẩm của CHLB Đức cải tạo từ máy điều hòa không khí cũ
cho phân xưởng kẹo caramen và hệ thống bơm nhiệt hút ẩm công suất lạnh

16.000 BTU/h cho xưởng kẹo cứng cơ sở Hà Nội, Công ty Bánh kẹo Hải Hà đÃ
được lắp đặt từ năm 1999. Qua thực tế sử dụng, thấy rằng ngoài ưu điểm rẻ tiền
(giảm khoảng 50% vốn đầu tư) và tiết kiệm năng lượng (điện năng tiêu thụ giảm
gần 50%) so với phương án dùng máy hút ẩm, các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh
này hoạt động ổn định, liên tục và giảm chi phí bảo dưỡng. Tuy vậy, nó còn có
nhược điểm là còn cồng kềnh, sử dụng nhiều quạt và động cơ xen kẽ, trong hệ
thống nhiều bụi bột nên hay phải bảo dưỡng động cơ lại phải thực hiện trong
không gian eo hẹp, khó thao tác.
Để khắc phục những nhược điểm này, nhóm tác giả đà tiếp tục nghiên cứu
và đà thiết kế chế tạo, thử nghiệm máy hút ẩm và sấy lạnh đa năng BK- BSH 1.4.

Trịnh Quốc Dũng Cao học nhiệt l¹nh 2004 - 2006

15


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
Đây là hệ thống bơm nhiệt nguyên khối, có thể di chuyển được, phù hợp với quy
mô sản xuất nhỏ (như các hộ kinh doanh cá thể), hoặc sấy thử nghiệm ở các cơ sở
nghiên cứu, giảng dạy, với chế ®é sÊy nhiƯt ®é 25 ÷ 40 o C, ®é ẩm 25% ữ 40%.
P

P

Máy có dung tích buồng sấy 1m 3 , có thể sấy 15 ữ 30 kg nguyên liệu một mẻ sấy
P

P

và được điều khiển tự động hoàn toàn, công suất điện tiêu thụ 1,4 kW. Đây cũng

là thiết bị nghiên cứu thực nghiệm của chính tác giả luận văn này. Chi tiết về hệ
thống này sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau của luận văn.
Rút kinh nghiệm từ mẫu máy nguyên khối BK- BSH 1.4, để đáp ứng yêu
cầu của sản xuất, nhóm tác giả đà thiết kế chế tạo máy sấy lạnh và hút ẩm đa
năng cùng nguyên lý nhưng năng suất lớn hơn, là loại tổ hợp gọn mang thương
hiệu của trường Đại học Bách khoa Hà Nội, BK- BSH 18A để trang bị cho buồng
sấy lạnh kẹo Jelly thứ 3 năng suất 800 kg/ngày. Máy có dàn lạnh công suất lạnh
40 kW, năng suất tách ẩm 23 kg/h khi không khí vào máy có nhiệt độ, độ ẩm
tương ứng là 27 o C/40%, công suất điện tiêu thụ 18 kW, điều khiển và bảo vệ tự
P

P

động hoàn toàn. Đây là loại máy sử dụng bơm nhiệt kiểu tổ hợp gọn, lần đầu tiên
được thiết kế, chế tạo và lắp đặt trong nước để thay thế công nghệ cũ, có khả
năng thích ứng được với nhiều vật liệu sấy khác nhau.
So với công nghệ dùng các bơm nhiệt kiểu môđun (hình 1.2) thì BK- BSH
18A có thiết bị xử lý không khí được chế tạo ở dạng tổ hợp gọn có thể được đặt
ngoài nhà, trong nhà hay trong buồng sấy và có tốc độ không khí có thể thay đổi
được để phù hợp với yêu cầu sấy các vật liệu cụ thể. Sau 1 năm hoạt động, BKBSH 18A đà thể hiện rõ các tính ưu việt của nó, được cơ sở sử dụng đánh giá rất
tốt. Tuy nhiên, nhằm làm cho hệ thống có thể được điều khiển nhanh nhạy, chính
xác, tiét kiệm năng lượng và gọn nhẹ hơn, các tác giả đà tiếp tục nghiên cứu cải
tiến BK- BSH 18A để thiết kế chế tạo BK- BSH 18B. Thiết bị được thiết kế kiểu
đứng cũng gọn hơn. Bộ xử lý không khí cũng có thể đặt sát tường ngoài hoặc bên
trong phòng sấy để tiết kiệm vật tư, cách nhiệt,... Hình ảnh của BK- BSH 18A và
BK- BSH 18B được thể hiện trong hình 1.3 và 1.4.

Trịnh Quốc Dũng Cao häc nhiƯt l¹nh 2004 - 2006

16

Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh

Hình 1.3. Máy sấy lạnh và hút ẩm kiểu tổ hợp gọn BK- BSH 18A

Hình 1.4. Máy sấy lạnh và hót Èm kiĨu tỉ hỵp gän BK- BSH 18B

Nh­ vËy, việc sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp để hút ẩm và sấy lạnh tỏ ra
có nhiều ưu điểm và rất có khả năng ứng dụng rộng rÃi trong điều kiƯn khÝ hËu
nãng Èm, phï hỵp víi thùc tÕ ViƯt Nam, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật
đáng kể. Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những sản phẩm cần giữ trạng
thái, màu, mùi, chất dinh dưỡng và không cho phép sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ gió
lớn. Các hệ thống hút ẩm và đặc biệt là các hệ thống sấy lạnh có cấu trúc luôn
thay đổi phụ thuộc vào đặc tính của VLS, cấu trúc của dàn lạnh sử dụng, nên
không có một cấu trúc chung cho tất cả các đối tượng sấy, tuy nhiên vẫn có
chung nguyên tắc và phương pháp tính toán thiết kế. Do vậy, vẫn cần tiếp tục

Trịnh Quốc Dũng – Cao häc nhiƯt l¹nh 2004 - 2006

17


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
những nghiên cứu cơ bản, đầy đủ về các quá trình, các giới hạn kỹ thuật và những
vấn đề tự động điều chỉnh, khống chế liên hoàn nhiệt độ và độ ẩm của không khí
sấy cũng như của VLS.
1.4.2. Các tác giả nước ngoài
Trong [8], Macio N. Kohayakawa và các cộng sự đà tiến hành nghiên cứu
ảnh hưởng của các yÕu tè nh­: vËn tèc giã V ar , chiÒu dày của vật liệu L đến hệ số

R

R

khuyếch tán của quá trình sấy D ef trong hệ thống sấy xoài bằng bơm nhiệt. Môi
R

R

chất lạnh sử dụng trong hệ thống là R22. Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy được
thể hiện trên hình 1.5.

Hình 1.5. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy xoài bằng bơm nhiệt
I - Dàn bay hơi

II - Máy nén

III - Dàn ngưng

IV - Bình chứa cao áp

V - Mắt ga

VI - Phin sấy lọc

VII - Van tiết lưu nhiệt

A - Quạt ly tâm

B - Buồng sấy

C - Điều chỉnh hướng gió

D - Điện trở

Đường áp suất cao

, Nhiệt độ bầu ướt, khô

Van gió

Đường áp suất thÊp

HƯ thèng sÊy xoµi sư dơng hai dµn ng­ng trong ®Ĩ gia nhiƯt cho kh«ng
khÝ. NhiƯt ®é kh«ng khÝ trong quá trình thí nghiệm thay đổi từ 40 0 C ®Õn 56 0 C.
P

P

P

P

VËn tèc thay ®æi tõ 1,6 m/s ®Õn 4,4 m/s, chiỊu dµy VLS thay ®ỉi tõ 5,8 mm đến
14,2 mm. Khối lượng VLS ở mỗi mẻ sấy là 300 g, thời gian sấy là 8h/mẻ. Dựa
vào các quan hƯ lý thut tÝnh to¸n hƯ sè khuch t¸n, sử dụng phương pháp qui

Trịnh Quốc Dũng Cao học nhiƯt l¹nh 2004 - 2006

18

Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
hoạch trực giao và kết hợp với số liệu thực nghiệm, các tác giả đà xây dựng được
phương trình hồi qui xác định hệ số khuyếch tán D ef như sau:
R

R

D ef = 4,2625 - 0,61922.V ar + 0,380538. Var2 + 1,012517.L - 0,90343.V ar .L
R

R

R

R

R

R

(1.1)

Phương trình (1.1) cho thấy ảnh hưởng đồng thời của 2 thông số cũng như
mức độ ảnh hưởng của chúng đến hệ số khuyếch tán D ef . ở đây, ảnh hưởng của
R

R

tốc độ gió V ar là lớn nhất, sau đó đến chiều dày của VLS. Phương trình (1.1)
R

R

cũng cho biết ảnh hưởng lẫn nhau giữa 2 thông số thông qua mối liên hệ chéo
giữa chúng. Tuy nhiên, trong phương trình (1.1) không thấy ®Ị cËp ®Õn ¶nh
h­ëng cđa nhiƯt ®é, ®é Èm sÊy mặc dù ảnh hưởng của chúng là lớn đến hệ số
khuyếch tán. Điều này cũng được chính các tác giả khẳng định trong nghiên cứu
của mình. Do vậy, cần có thêm những nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các
yếu tố này.
Phani K.Adapa, Greg J.Schoenau và Shahab Sokhansanj [9] đà tiến hành
nghiên cứu về lý thuyết và thực nghiệm đối với quá trình sấy bằng bơm nhiệt các
loại vật liệu đặc biệt. Các tác giả đà tiến hành thiết lập các quan hệ tính toán lý
thuyết quá trình sấy lớp mỏng (thin layer) có quá trình TĐN - TĐC trên hình 1.6.

Hình 1.6. Quá trình trao đổi nhiệt - ẩm của VLS và không khí

Các tác giả đà thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng, cân bằng
chất, truyền nhiệt và truyền ẩm giữa vật liệu và không khí cho một phân tố thể
tích VLS như sau:
Phương trình truyền ẩm:

Trịnh Quốc Dũng Cao học nhiệt lạnh 2004 - 2006

19


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
M

= k .( M M e )
t

(1.2)

trong đó: M - độ ẩm của VLS tại thời điểm t
M e - độ ẩm cân bằng của VLS, được xác định b»ng thùc nghiÖm.
R

R

t - thêi gian, s
k - h»ng sè sấy [1/s], được xác định như sau:
k = 0,2865.exp(0,179.T a )
R

R

(1.3)
Giải phương trình (1.2), xác định được độ ẩm của vật liệu sau khi sấy tại
thời điểm t như sau:
M = M e + (M 0 - M e ). e kt .e -kt

(1.4)

0

R

R

R

R

R

R

P

P

víi: M 0 - ®é Èm cđa VLS tại thời điểm t 0 = 0
R

R

R

R

Cân bằng chất:
G p M
W
=
.
x
Ga y

(1.5)

với: W - độ chứa hơi của không khí, kg/kg kk
x - chiều dày của VLS, m
G p - lưu lượng của VLS chuyển động qua băng tải, kg/m.s
R

R

G a - lưu lượng không khí chuyển động qua băng tải, kg/m 2 .s
R

R

P

P

y - quÃng đường dịch chuyển của VLS, m
Giải phương trình (1.5), thu được công thức xác định sự thay đổi của độ
chứa hơi W theo chiều dày VLS (giả thiết tính chất của vật liệu là đồng đều theo
phương dịch chuyển y):
W = W0
R

R

G p M
.x
.

Ga y

(1.6)

Cân bằng năng lượng:
(hcv + Ga .C pw .(∂W / ∂x)).(Ta − Tg )
∂Ta
=−
∂x
Ga .(C pa + C pw .W )

(1.7)

trong ®ã: T a - nhiƯt độ của không khí, 0 C
R

R

P

P

Trịnh Quốc Dũng Cao häc nhiƯt l¹nh 2004 - 2006

20


Ch­¬ng 1: Tỉng quan vỊ hƯ thèng b¬m nhiƯt sÊy lạnh
T g - nhiệt độ của VLS, 0 C
R

R

P

P

h cv - hƯ sè trun nhiƯt thĨ tÝch, kJ/m 3 .ph.K
R

R

P

P

C pa - nhiệt dung riêng của không khí khô, kJ/kgK
R

R

C pw - nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kgK
R

R

Giải phương trình vi phân (1.7), xác định được nhiệt độ không khí tại đầu
ra:
T a = T g + a (d/a).x .(T a0 - T g )
R

R

R

R

P

P

R

R

R

R

(1.8)
víi: a = G a .(C pa + C pw .W)
R

R

R

R

R

R

∂W 

 ∂x 

d = h cv + G a .C pw . 
R

R

R

R

R

R

T a0 - nhiệt độ không khí tại vị trí ban đầu x 0 = 0, 0 C
R

R

R

R

P

P

Phương trình truyền nhiệt:

∂W
 hcv .(Ta − Tg ) − (Ga .( L g + (C pw − C pl ).Tg )).
∂Tg 
 ∂x
=

− G p .(C pg + M .C pl )
∂y










(1.9)

trong đó: L g - nhiệt ẩn hoá hơi của nước trong VLS, kJ/kg
R

R

C pg - nhiƯt dung riªng cđa VLS, kJ/kgK
R

R

C pl - nhiệt dung riêng của nước, kJ/kgK
R

R

Giải phương trình (1.9) sẽ tìm được nhiệt độ sự thay đổi nhiệt độ của VLS
trong băng tải:
Tg =
R

R

((

1
. f + g .Tg 0 ).e (( y − y0 ) / h ) f
g

ở đây: f = h cv .T a0 – G a .L g .
R

R

R

R

R

R

R

R

)

(1.10)

∂W 
∂W
; g =  − hcv + (C pw − C pl ).Ga .
 vµ h = - G p .(C pg +
∂x 
∂x

R

R

R

R

M.C pl )

R

R

Các tác giả cũng đà tiến hành nghiên cứu thực nghiệm quá trình sấy lá cây
linh lăng. Hệ thống bơm nhiệt có công suất điện máy nén là 0,424 kW, môi chất
lạnh sử dụng là R134a. Nhiệt độ sấy t = 30 ữ 45 0 C, tốc độ gió trong buồng sấy là
P

Trịnh Quốc Dũng Cao học nhiệt l¹nh 2004 - 2006

P

21