Nghiên cứu sấy quả Hồi khô bằng hệ thống thiết bị sấy bơm nhiệt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
---------------------------

ĐOÀN KHÁNH TRỌNG

NGHIÊN CỨU SẤY QUẢ HỒI KHÔ BẰNG HỆ THỐNG
THIẾT BỊ SẤY BƠM NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Hà Nội, 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC LÂM NGHIỆP
---------------------------

ĐOÀN KHÁNH TRỌNG

NGHIÊN CỨU SẤY QUẢ HỒI KHÔ BẰNG HỆ THỐNG
THIẾT BỊ SẤY BƠM NHIỆT

Chuyên ngành kỹ thuật cơ khí
Mã số: 8520103

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN THỊ QUỲNH CHI

Đồng Nai, 2018


i

LỜI CẢM ƠN
Nhân dịp hoàn thành luận văn này cho phép tơi được bày tỏ lịng biết ơn
chân thành và sâu sắc tới giáo viên hướng dẫn khoa học TS Nguyễn Thị Quỳnh
Chi đã dành rất nhiều thời gian chỉ bảo tận tình và giúp đỡ tơi hồn thành luận
văn này.
Trân trọng cảm ơn lãnh đạo nhà trường, phòng sau Đại học, khoa Cơ
điện và Cơng trình trường Đại học Lâm nghiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện thuận
lợi cho tơi hồn thành nhiệm vụ học tập và nghiên cứu của mình.
Trân trọng cảm ơn các Nhà khoa học, các bạn đồng nghiệp đã đóng góp
nhiều ý kiến quý báu trong suốt q trình làm và hồn chỉnh luận văn.
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu,
kết quả trong luận văn là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ
cơng trình nào khác.
Hà Nội, ngày 15 tháng 5 năm 2018
Tác giả luận văn

Đoàn Khánh Trọng

ii

MỤC LỤC
Trang
TRANG PHỤ BÌA
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................... i
MỤC LỤC ........................................................................................................ ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ............................... v
DANH MỤC BẢNG ....................................................................................... vi
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................... vii
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... viii
1. Đặt vấn đề...................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ...................................................................................... 2
3. Nội dung nghiên cứu ...................................................................................... 2
3.1. Nội dung nghiên cứu lý thuyết ..................................................................... 2
3.2. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm ............................................................. 3
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY SỬ DỤNG BƠM
NHIỆT TRÊN THẾ GIỚI VÀ TẠI VIỆT NAM.......................................... 4
1.1. Động lực quá trình sấy .................................................................................. 4
1.2. Các phương pháp sấy.................................................................................... 5
1.2.1. Phương pháp sấy nóng............................................................................ 5
1.2.2. Phương pháp sấy lạnh............................................................................. 5
1.3. Phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt ............................................................. 7
1.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống ........................................................................ 7
1.3.2. Các tiêu chí đánh giá hiệu quả của hệ thống sấy bơm nhiệt.................. 9
1.3.3. Các nghiên cứu về sấy bơm nhiệt trong và ngoài nước ....................... 11
1.4. Vấn đề thay đổi thông số TNS ................................................................. 15
1.5. Tổng quan về công nghệ và thiết bị sấy khô quả hồi ............................... 16

iii

Chương 2: PHƯƠNG PHÁP SẤY GIÁN ĐOẠN SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
......................................................................................................................... 19
2.1. Các phương pháp sấy gián đoạn .............................................................. 19
2.2. Sấy gián đoạn theo mẻ sử dụng bơm nhiệt .............................................. 22
2.2.2. Phương pháp cấp nhiệt gián đoạn theo kiểu ON/OFF ......................... 23
2.3. Phương pháp cấp nhiệt theo chu kỳ ......................................................... 24
2.3. Đánh giá sơ bộ hiện tượng truyền nhiệt truyền chất đồng thời trong vật
liệu khi sấy gián đoạn ...................................................................................... 26
2.3.1. Cơ chế truyền nhiệt – truyền ẩm trong các quá trình sấy .................... 26
2.3.2. Truyền nhiệt – truyền ẩm trong quá trình cấp nhiệt gián đoạn............ 30
2.4. Một vài kết quả nghiên cứu về sấy gián đoạn trên thế giới ..................... 31
Chương 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG SẤY BƠM NHIỆT HAI
NHIỆT ĐỘ BAY HƠI .................................................................................... 35
3.1. Giới thiệu chu trình lạnh hai nhiệt độ bay hơi (sơi) ................................. 35
3.2.1 Ngun lý hoạt động............................................................................... 36
3.2.2. Phương trình tính toán .......................................................................... 37
3.2.3. Điều chỉnh phân tầng áp suất bằng van KVP ....................................... 38
3.3. So sánh lý thuyết chu trình lạnh hai nhiệt độ sơi với chu trình một nhiệt độ
sôi .................................................................................................................... 40
3.4. Những ưu điểm của hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi .................. 41
3.4.1. Nâng cao lượng nhiệt thu hồi tại dàn lạnh ........................................... 41
3.4.2. Nâng cao hệ số hiệu quả ....................................................................... 42
3.4.3. Tiết kiệm năng lượng nhờ điều chỉnh năng suất lạnh Q0 ..................... 43
3.5. Xây dựng và hồn thiện mơ hình HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sơi ......... 51
3.5.1. Thơng số chu trình và các kết quả tính tốn ......................................... 51
3.5.2. Xây dựng chế độ vận hành hệ thống sấy ............................................... 53
3.5.3. Mô hình thiết bị thí nghiệm ................................................................... 57

iv

Chương 4: NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ SẤY
QUẢ HỒI KHÔ ............................................................................................. 61
4.1. Mục tiêu, nội dung cứu thực nghiệm ....................................................... 61
4.1.1. Mục tiêu ................................................................................................. 61
4.1.2. Nội dung nghiên cứu thực nhiệm .......................................................... 61
4.2. Chọn Phương pháp nghiên cứu ................................................................ 61
4.2.1. Chọn phương pháp thực nghiệm ........................................................... 61
4.2.2. Chọn hàm mục tiêu nghiên cứu............................................................. 62
4.2.3. Chọn tham số ảnh hưởng đến hàm mục tiêu ......................................... 62
4.2.4. Phương pháp lấy mẫu thí nghiệm ......................................................... 63
4.2.5. Phương pháp xác định các đại lượng nghiên cứu ................................ 64
4.2.5. Thiết bị thí nghiệm ................................................................................ 64
4.2.6. Phương pháp xử lý kết quả thí nghiệm...................................................... 64
4.3. Tổ chức tiến hành thí nghiệm................................................................... 68
4.4. Kết quả thí nghiệm ................................................................................... 69
4.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy đến thời gian và hàm lượng tinh
dầu có trong quả hồi sấy khơ .......................................................................... 69
4.4.2. Xác định chế độ sấy quả hồi hợp lý ...................................................... 72
4.4.3. Thực nghiệm sấy theo nhiệt độ tác nhân sấy tối ưu .............................. 74
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...................................................................... 76
1. Kết luận ....................................................................................................... 76
2. Kiến nghị ..................................................................................................... 76
TÀI LIỆU THAM KHẢO


v

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT


vi

DANH MỤC BẢNG
Tên bảng

TT
1.1

1.2

Các nghiên cứu về sấy bơm nhiệt gần đây của các tác giả trên
thế giới
So sánh chất lượng thực phẩm sấy bằng công nghệ sấy lạnh so
với các cơng nghệ sấy truyền thống

Trang
13

14

3.1 Thơng số chu trình lạnh (môi chất R22) theo thiết kế

51

3.2 Thông số chu trình lạnh thường gặp khi vận hành HTS

51

3.3 Thơng số của hệ thống sấy bơm nhiệt

52

3.4 Các chế độ vận hành HTS

56

3.5 Số lượng, thông số kĩ thuật của các thiết bị đo trong hệ thống

60

4.1

Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy đến hàm lượng tinh dầu và thời
gian sấy

4.2 Kết quả thí nghiệm sấy theo nhiệt độ tác nhân sấy tối ưu

69
74


vii

DANH MỤC HÌNH
TT

Tên hình

Trang

1.1

Động lực q trình sấy

4

1.2

Sơ đồ ngun lý làm việc của một HTS sử dụng bơm nhiệt

7

1.3

Quá trình biến đổi trạng thái khơng khí trong HTS trên đồ thị I-d

8

1.4

Một buồng sấy gỗ bằng bơm nhiệt của hãng Westair

12

1.5

Q trình phơi khơ quả hồi

17

1.6

Lị sấu quả hồi khô do đề tài cấp Bộ NN&PTNT thiết kế chế
tạo

18

2.1

Sơ đồ phân loại tổng quát các kiểu sấy gián đoạn

20

2.2

Sơ đồ cấp nhiệt và ngừng cấp nhiệt cho buồng sấy

24

2.3

Các dạng profiles nhiệt độ của TNS trong HTS bơm nhiệt hai
nhiệt độ sôi

25

2.4

Quan hệ của hệ số am và δ với nhiệt độ và độ ẩm

28

2.5

Sự thay đổi nhiệt độ và độ ẩm bên trong VLS theo thời gian

28

2.6
2.7
2.8

2.9

Biến thiên độ chứa ẩm bề mặt và trung bình của vật liệu sấy
khi cấp nhiệt và ngừng cấp nhiệt theo chu kỳ [20]
Mơ hình thiết bị thí nghiệm Zalmed 42/250/M
Sự thay đổi khối lượng VLS theo thời gian khi thay đổi nhiệt độ
theo chu kỳ
Sự thay đổi khối lượng VLS theo thời gian khi thay đổi độ ẩm
tương đối theo chu kỳ

31
33
33

34

3.1

Sơ đồ cách mắc các dàn bay hơi

36

3.2

Sơ đồ nguyên lý chu trình lạnh hai nhiệt độ sơi

36

3.3

Hình ảnh và cấu tạo van điều chỉnh áp suất KVP

38

3.4

Sơ đồ lắp đặt của hệ thống lạnh 2 nhiệt độ bay hơi bằng van KVP

39


viii

3.5

Q trình thu nhiệt từ khơng khí của hệ thống một và hai nhiệt
độ sôi

42

3.6

Nhu cầu năng suất lạnh thay đổi theo thời gian

43

3.7

Khả năng điều chỉnh năng suất lạnh của hai dàn bay hơi

44

3.8

Sơ đồ thiết bị chu trình tiết lưu hơi hút

45

3.9

Chu trình tiết lưu hơi hút và biểu đồ năng suất lạnh phụ thuộc vào
áp suất hút đặt trên van KVP

45

3.10

Sơ đồ tuần hồn khơng khí có bypass

48

3.11

Đồ thị h-d biểu diễn chu trình TNS có bypass

49

3.12

3.13

Các điểm trạng thái của khơng khí ẩm trong HTS khi sử dụng
bypass trên đồ thị -d.
Ảnh hưởng của việc điều chỉnh tỉ lệ bypass đến tổng lượng nhiệt
thu hồi tại dàn bay hơi

53

55

3.14

Đồ thị lgp-h của các chu trình

56

3.15

Đồ thị lgp-h của các chu trình C, D

56

3.16

Đồ thị lgp-h của các chu trình E, F, G

57

3.17

Sơ đồ mơ hình hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi

58

3.18

Sơ đồ mô hình đơn giản của hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt
độ sơi

58

3.19

Sơ đồ các điểm đo

59

4.1

Thí bị thí nghiệm sấy quả hồi khô

68

4.2
4.3

Đồ thị tương quan giữa nhiệt độ chưng cất với hàm lượng tinh
dầu
Đồ thị tương quan giữa nhiệt độ chưng cất với thời gian sấy

71
72


1

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Cây Hồi( Hay còn gọi là Đại Hồi, Hồi 8 cánh, Mắc chác), có tên khoa
học là Liciumverum Hook, được phân bố ở một số địa phương trên tuyến biên
giới Việt Trung, bao gồm một số huyện của tỉnh Lạng Sơn và Quảng Ninh, Hồi
là cây dược liệu quí, hoa hồi là nguyên liệu để chưng cất ra tinh dầu hồi. Tinh
dầu hồi là dược liệu quí, sử dụng trong trong y học và trong chế biến thực phẩm.
Hàng năm ở Việt Nam sản lượng hoa hồi thu hoạch được khoảng 100.000
tấn hoa hồi phục vụ cho nhu cầu trong nước và xuất khẩu, từ đó đã mang lại

nguồn thu nhập lớn cho địa phương, góp phần nâng cao đời sống cho đồng bào
các dân tộc ở các tỉnh có trồng hồi. Ngày nay diện tích trồng hồi càng phát triển,
sản lượng hoa hồi thu được ngày càng tăng, đáp ứng nhu cầu trong nước và
suất khẩu.
Hoa hồi sau khi thu hoạch cần phải làm khô và bảo quản để làm nguyên
liệu cho chế biến, song việc làm khô hiện nay chủ yếu là phơi nắng, dẫn đến
chất lượng thấp, thời gian bảo quản ngắn.
Hiện nay việc chưng cất tinh dầu ở Việt Nam chủ yếu là các lị chưng cất
bằng thủ cơng do các hộ gia đình tự xây dựng, chưng cất theo phương pháp
truyền thống nên năng suất và chất lượng tinh dầu thấp, hiệu suất thu hồi tinh
dầu khơng cao, từ đó dẫn đến hiệu quả kinh tế không cao, sản lượng hoa hồi
mang vào chưng cất chiếm 5%, còn 95% là xuất hoa hồi dạng phơi khơ.
Đã có một đề tài nghiên cứu cấp bộ nông nghiệp và PTNT do Trung tâm
lâm đặc sản thuộc Viện Khoa học lâm nghiệp Việt Nam thực hiện về công nghệ
và thiết bị sấy khô quả hồi, kết quả nghiên cứu đã thiết kế chế tạo ra thiết bị sấy
hồi và được áp dụng ở huyện Văn Quan ở tỉnh Lạng Sơn, thiết bị này cho năng
suất cao hơn phơi truyền thống của địa phương. Nhưng trong q trình thử
nghiệm thiết bị này cịn có nhiều tồn tại cần phải tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện


2

đó là: năng suất rất thấp (300kg nguyên liệu/mẻ), thời gian sấy dài (24giờ/mẻ),
thiết bị này hiện không sử dụng được vì khơng đáp ứng được u cầu của thực
tế.
Cây hồi nói chung và tinh dầu hồi là sản phẩm đặc hữu của Việt Nam và
của tỉnh Lạng Sơn, sản phẩm này đã được Cục sở hữu trí tuệ cơng nhận chỉ dẫn
địa lý và đã được Bộ Y tế xếp vào loại dược liệu đặc biệt quí cần đầu tư phát
triển, song cho đến nay chưa có cơng trình nghiên cứu đầy đủ và tồn diện về
cơng nghệ và thiết bị sản xuất quả hồi khô xuất khẩu.

Để giải quyết tồn tại nên trên cần thiết phải có một cơng trình
nghiên cứu khoa học tồn diện, tổng thể, áp dụng khoa học kỹ thuật để tạo ra
công nghệ và thiết bị sấy quả hồi cho năng suất, chất lượng sản phẩm cao, tiết
kiệm năng lượng.
Đặc điểm của sản phẩm quả hồi khô là độ ẩm đạt yêu cầu 13%,
hàm lượng tinh dầu trong quả khô đạt 8-10%, mặt khác trong quá trình sấy tinh
dầu bay hơi, do vậy chế độ sấy, thiết bị sấy, phương pháp sấy ảnh hưởng lớn
đến bay hơi của tinh dầu hồi. Để đáp ứng được yêu cầu độ ẩm và hàm lượng
tinh dầu của quả hồi khô chúng tôi sử dụng phương pháp sấy bơm nhiệt.
Với lý do đã trình bầy ở trên, chúng tôi chon và thực hiện đề tài:
"Nghiên cứu sấy quả hồi khô bằng hệ thống sấy bơm nhiệt".
2. Mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu của đề tài là xây dựng và hồn thiện mơ hình hệ thống sấy bơm
nhiệt, từ đó xác định chế độ sấy quả hồi khô đạt yêu cầu xuất khẩu.
3. Nội dung nghiên cứu
3.1. Nội dung nghiên cứu lý thuyết
- Xây dựng mơ hình hệ thống sấy bơm nhiệt hai nhiệt độ sơi
- Tính tốn các thơng số hệ thống sấy bơm nhiệt
- Hồn thiện mơ hình thí nghiệm hệ thống sấy bơn nhiệt hai nhiệt độ sôi


3

3.2. Nội dung nghiên cứu thực nghiệm
- Xác định chế độ sấy quả hồi khô
- Xác định thông số của hệ thống sấy bơm nhiệt


4

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

Hình 1.1. Động lực q trình sấy
Cả hai quá trình này được đặc trưng bởi động lực dịch chuyển ẩm L1 và L2
tương ứng; L1 tỉ lệ thuận với hiệu số (pt – pbm) còn L2 tỉ lệ thuận với hiệu số (pbm
– ph) [1]:
L1 ~ (pt – pbm)

(1.1)

L2 ~ (pbm – ph)

(1.2)

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

(1.3)

Ấm trong vật liệu ln dịch chuyển theo chiều từ nơi có phân áp suất

cao sang nơi có phân áp suất thấp. Độ chênh này càng cao thì động lực sấy
càng lớn. Theo đó, có thể tăng pt bằng cách đốt nóng vật liệu hoặc làm giảm


5

phân áp suất hơi nước ph của môi trường xung quanh để tạo động lực cho
quá trình sấy.
1.2. Các phương pháp sấy
Dựa vào phương pháp tạo động lực quá trình sấy, người ta chia ra hai
phương pháp sấy: Phương pháp sấy nóng và Phương pháp sấy lạnh
1.2.1. Phương pháp sấy nóng
Trong phương pháp sấy nóng, nhờ đốt nóng hoặc cả TNS lẫn VLS hoặc
chỉ đốt nóng VLS mà hiệu số phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật pbm và phân
áp suất hơi nước trong TNS ph tăng dẫn đến q trình dịch chuyển ẩm từ trong
lịng VLS ra bề mặt và đi vào môi trường.
Theo phương pháp cung cấp nhiệt, HTS nóng được phân thành các loại:
* HTS đối lưu: Đây là HTS phổ biến nhất. Trong HTS này, VLS nhận
nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể nóng mà thơng thường là khơng khí hoặc
khói lị. Trong HTS đối lưu người ta lại phân ra các loại: HTS buồng, HTS HTS
hầm, HTS thùng quay, HTS tháp, HTS khí động…
* HTS tiếp xúc: đây là HTS trong đó VLS nhận nhiệt từ một bề mặt nóng
bằng dẫn nhiệt. HTS tiếp xúc được chia làm hai loại: HTS lô và HTS tang.
* HTS bức xạ: VLS nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để ẩm dịch chuyển
từ trong lòng VLS ra bề mặt và từ bề mặt khuếch tán vào mơi trường.
* Các HTS khác: ngồi ba HTS sấy nóng kể trên cịn có HTS dùng dịng
điện cao tần hoặc dùng năng lượng từ trường để đốt nóng vật. Giống như HTS
bức xạ và tiếp xúc, các HTS loại này cũng chỉ tạo ra độ chênh phân áp suất giữa
VLS và mơi trường bằng cách đốt nóng vật. Do kỹ thuật tạo ra trường điện từ
cũng như tính kinh tế của nó nên các HTS này rất ít gặp.

1.2.2. Phương pháp sấy lạnh
Trong phương pháp sấy lạnh, động lực quá trình sấy L được tạo ra bằng
cách giảm phân áp suất hơi nước trong TNS ph nhờ giảm độ chứa ẩm d theo công


6

thức [2]:
ph 

B.d
0,622  d

(1.4)

ph – phân áp suất hơi nước trong TNS, kN/m2;
B – áp suất khí quyển, kN/m2;
d – độ chứa ẩm của khơng khí, kga/kgkk.
Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào mơi trường
có thể trên dưới nhiệt độ mơi trường (t > 0) và cũng có thể nhỏ hơn 0°C. Phương
pháp sấy lạnh có thể phân ra làm hai loại HTS:
* HTS lạnh ở nhiệt độ t < 0 °C.
HTS này lại được phân thành hai loại: HTS thăng hoa và HTS chân không.
Trong HTS thăng hoa, VLS được làm lạnh xuống dưới điểm ba thể (nhiệt độ của
vật liệu T < 273K, áp suất TNS bao quanh vật p < 610 Pa), ẩm trong VLS ở
dạng rắn trực tiếp biến thành hơi đi vào TNS. Trong HTS chân không, áp suất
trong buồng sấy gần như áp suất chân khơng, nhiệt độ VLS có thể dương hoặc
âm, nước trong VLS chuyển từ thể rắn sang thể lỏng, sau đó mới biến thành hơi
đi vào TNS.
* HTS lạnh ở nhiệt độ t > 0 °C

- HTS sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hợp máy lạnh: phương pháp
này sử dụng máy hút ẩm kết hợp với máy lạnh để tạo ra một mơi trường sấy có
nhiệt độ khá thấp, thường có thể bằng hoặc bé hơn nhiệt độ mơi trường từ 5 ÷
15 °C.
- HTS sử dụng bơm nhiệt nén hơi: Bơm nhiệt có nhiệm vụ vừa tạo ra
môi trường sấy cho vật liệu, vừa làm nhiệm vụ tách ẩm sau khi TNS ra khỏi
buồng sấy.


7

1.3. Phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt
1.3.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Ống dẫn

Buồng sấy

(a)
Ống dẫn

Buồng sấy

Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý làm việc của một HTS sử dụng bơm nhiệt
a) Điều chỉnh nhiệt độ vào buồng sấy bằng van điện từ 3 ngả
b) Điều chỉnh nhiệt độ vào buồng sấy bằng quạt dàn ngưng ngồi
------- vịng tuần hồn của TNS.
vịng tuần hồn của mơi chất lạnh.


8

Hình 1.2 giới thiệu sơ đồ nguyên lý làm việc của một HTS sử dụng bơm
nhiệt nén hơi. TNS ở đây là khơng khí. Khơng khí đi vào buồng sấy ở trạng thái
1 có độ ẩm tương đối thấp, trao đổi nhiệt ẩm với VLS và đi ra khỏi buồng sấy ở
trạng thái 2.
Lúc này khơng khí đã nhận ẩm của VLS nên có độ chứa ẩm cao và đi vào
dàn bay hơi. Tại đây, do nhiệt độ khơng khí bị hạ thấp xuống dưới nhiệt độ đọng
sương nên ẩm trong khơng khí bị tách ra nhờ q trình ngưng tụ trên bề mặt dàn
bay hơi rồi được lấy ra ngồi. Khơng khí sau khi được làm lạnh và hút ẩm ở trạng
thái 3 được đưa qua dàn ngưng tụ. Sau dàn ngưng tụ, nhiệt độ khơng khí tăng lên
và do đó độ ẩm tương đối φ giảm. Khơng khí trở về trạng thái 1 và đi vào buồng
sấy khép kín vịng tuần hồn. Trong nhiều trường hợp khơng sử dụng hết cơng
suất nhiệt của dàn ngưng, có thể mắc thêm một dàn ngưng khác nằm ngồi vịng
tuần hồn của khơng khí (dàn ngưng phụ) để đẩy bớt nhiệt thừa ra ngồi mơi
trường. Q trình biến đổi trạng thái khơng khí trong hệ thống sấy được biểu diễn
trên hình 1.3.

Hình 1.3. Q trình biến đổi trạng thái khơng khí trong HTS trên đồ thị I-d
– 2: quá trình trao đổi nhiệt ẩm giữa khơng khí với VLS trong buồng sấy.
– 3: quá trình làm lạnh và khử ẩm khi qua dàn bay hơi.


9

– 1: q trình đốt nóng khơng khí khi qua dàn ngưng tụ.
1.3.2. Các tiêu chí đánh giá hiệu quả của hệ thống sấy bơm nhiệt
Theo [16], hiệu quả tổng thể của một hệ thống sấy bơm nhiệt có thể được
đánh giá dựa vào một số tiêu chuẩn, bao gồm hệ số hiệu quả COP (Coefficient
of Performance), lượng tách ẩm riêng SMER (Specific Moisture Extraction
Rate), lượng nhiệt thu hồi tại dàn bay hơi (heat recovered).

a) Hệ số hiệu quả COP
Hiệu quả của bơm nhiệt được đánh giá bởi hệ số hiệu quả COP, được
định nghĩa [17]:
(1.5)

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

(1.6)

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

qk q0  l

  1
l
l

(1.7)

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

q0  qk
 2  1
l

(1.8)

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

Tk
Tk  T0

(1.9)

Trong đó Tk, T0 lần lượt là nhiệt độ tuyệt đối của môi chất tại dàn ngưng
tụ và dàn bay hơi, K.


10

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

b) Lượng tách ẩm riêng SMER
SMER được định nghĩa [17], [18]:
SMER phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm tương đối khơng khí vào buồng
sấy, nhiệt độ ngưng tụ Tk, nhiệt độ bay hơi T0, hiệu quả của chu trình lạnh, [17].
c) Lượng nhiệt thu hồi
Bên cạnh COP và SMER, hiệu quả của chu trình bơm nhiệt cịn có thể được đánh
giá bằng lượng nhiệt thu hồi tại các dàn bay hơi. Lượng nhiệt thu hồi tại mỗi dàn
bay hơi là lượng nhiệt thu hồi khi làm lạnh và tách ẩm khơng khí.
Qth = Gkk.(I2 - I1), kW

(1.11)

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


11

Enthalpy I của khơng khí ẩm được tính theo cơng thức:
I = Cpk .t + d(r0 + Cpht), kJ/kgkk
(1.12)
Trong đó Cpk, Cph tương ứng là nhiệt dung riêng của không khí khơ và
hơi nước, kJ/kg.K; r0 là nhiệt ẩn hóa hơi; t là nhiệt độ khơng khí, °C; d – độ
chứa ẩm của khơng khí, kgâ/kgkk; Có thể lấy Cpk = 1,004 kJ/kgK; Cph = 1,842
kJ/kg.K và r0 = 2500 kJ/kg, [2]. Khi đó enthalpy của khơng khí ẩm bằng:
I = 1,004.t + d(2500 + 1,842.t), kJ/kgkk
1.3.3. Các nghiên cứu về sấy bơm nhiệt trong và ngoài nước

Nhờ những ưu điểm vượt trội của bơm nhiệt về khả năng thu hồi nhiệt, tiết
kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường… nên hiện nay bơm nhiệt đã được
nghiên cứu và ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực sử dụng nhiệt khác nhau. Đặc biệt,
khi ứng dụng bơm nhiệt trong công nghệ sấy nông sản thực phẩm, bơm nhiệt tỏ ra
rất hiệu quả về nhiều mặt so với sấy bằng khí nóng thơng thường, cụ thể là: q
trình sấy được tiến hành ở nhiệt độ thấp (điều này rất quan trọng đối với những sản
phẩm nhạy cảm với nhiệt độ), hiệu suất sử dụng năng lượng cao hơn do cả nhiệt
hiện và nhiệt ẩn của chất bay hơi được thu hồi, chất lượng sản phẩm tốt hơn, q
trình sấy hồn tồn độc lập với điều kiện bên ngồi. Ngồi ra cơng nghệ này thân
thiện với môi trường do môi chất lạnh và hơi nước khơng thải ra khơng khí. Những
ưu điểm nổi bật cũng như đặc thù của sấy bơm nhiệt ngày càng thúc đẩy các nhà
khoa học tập trung đi vào nghiên cứu về lĩnh vực này theo các hướng và mục
tiêu khác nhau.
a) Các nghiên cứu ngoài nước
Từ rất sớm (1950) ở Mỹ người ta đã xây dựng một thí nghiệm sấy hạt
nông sản bằng bơm nhiệt [4]. Nhiệt độ buồng sấy, dàn ngưng tụ, dàn bay hơi
v.v… cũng như độ ẩm khơng khí được giám sát và khống chế chặt chẽ. Buồng
sấy là một phòng rộng 1,3 m2 để chứa hạt nơng sản. Bơm nhiệt có cơng suất
máy nén 570W, mơi chất R12. Quạt gió ly tâm cơng suất 380W để tuần hoàn


12

gió. Hệ thống có lắp đặt một mạng ống nước để điều chỉnh nhiệt độ sấy. Quá
trình sấy kết thúc khi hạt ngũ cốc đạt thủy phần khoảng 12 %. Nhiệt độ sấy từ
43 ÷ 54°C; tốc độ gió từ 550 ÷ 2000 m3/h. Ở tốc độ gió 800 ÷ 1000m3/h giá thành
đạt cực tiểu. Tiêu tốn năng lượng cho 1kg ẩm ở nhiệt độ 43 °C là 0,28 kWh/kg,
ở 54 °C là 0,27 kWh/kg. Nếu so sánh với những bơm nhiệt sấy và hút ẩm ngày
nay bán rộng rãi trên thị trường thì hệ số bơm nhiệt của nó cũng vào loại rất cao.
Kết luận cơng trình nghiên cứu, tác giả đưa ra rất nhiều ưu điểm nhưng nhược

điểm là vốn đầu tư khá cao cho bơm nhiệt.
Một trong những ứng dụng đầu tiên của bơm nhiệt vào công nghiệp sấy
trên phạm vi thương mại là sử dụng bơm nhiệt để sấy gỗ. Nhiệt độ sấy và độ
ẩm là những thông số rất quan trọng đảm bảo chất lượng gỗ. Hãng Westair đã
nghiên cứu và sản xuất bơm nhiệt cho mục đích này. Các cơng trình nghiên cứu
được tiến hành hàng chục năm với hàng chục ngàn bộ thiết bị lắp đặt trên toàn
thế giới. Một kiểu lắp đặt đặc biệt của bơm nhiệt Westair được mô tả trên hỡnh
1.4.
Q uạ t gió

Giágỗ
B ơm

h út

Hỡnh 1.4. Mt bung sy gỗ bằng bơm nhiệt của hãng Westair
Một số cơng trình nghiên cứu gần đây về sấy bơm nhiệt đã công bố được
nêu trong bảng 1.1


13

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

Quốc gia

Vật liệu sấy

Singapore

Nông sản và hải sản (nấm, trái
cây, rong biển, sò)

New Zealand

Gỗ tấm

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

Thailand

Sấy nông sản (chuối)

Mason và Blarcom (1993)

Australia

Đá

Meyer và Greyvenstein (1992)

Nam Phi

Các loại hạt

Rossi (1992)

Brazil

Rau củ (hành tây)

Nassikas và cộng sự (1992)

Hy Lạp

Giấy báo

Strommen and Krammer (1994)

Na Uy

Hải sản (cá)

K. Chou, K. Chua (1998)
Carington (1996), Sun (1996)

Trong [22], các tác giả tiến hành nghiên cứu sấy lá linh lăng, ngải cứu, bạc
hà, bồ công anh, cà rốt, sâm… Nhiệt độ TNS khi vào buồng sấy là 30°C và 35°C.
Dựa vào tiêu hao năng lượng, các tác giả cũng đã kết luận việc sấy bằng bơm nhiệt
đã tiết kiệm 22% năng lượng và 65% thời gian so với việc sấy bằng điện trở ở cùng
nhiệt độ…
Ngồi ra cịn có rất nhiều cơng trình khác về sấy bơm nhiệt với các loại sản
phẩm sấy khác nhau. Các nghiên cứu trên đây gồm có cả lý thuyết và mơ hình
thực nghiệm nhằm tìm ra các quy luật truyền nhiệt, truyền chất, trong từng giai
đoạn sấy, đánh giá ảnh hưởng của các thông số TNS như tốc độ, nhiệt độ, độ ẩm,
lượng bypass… đến khả năng tách ẩm, chất lượng sản phẩm, tiêu hao năng
lượng… cũng như tìm ra chế độ sấy hợp lý cho từng loại sản phẩm.

b) Các nghiên cứu trong nước
Tại Việt Nam, trong những năm gần đây lĩnh vực sấy sử dụng bơm nhiệt
cũng đã thu được những kết quả nhất định. Các kết quả được nghiên cứu áp


14

dụng cho điều kiện Việt Nam; vật liệu sấy là các nông sản tại Việt Nam, chế
độ sấy thường là không thay đổi.
Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy [10], nghiên cứu và chuyển giao công
nghệ sấy kẹo Jelly tại công ty bánh kẹo Hải Hà bằng phương pháp sấy lạnh
dùng bơm nhiệt. Và hiệu quả của công nghệ được đánh giá như sau:
+ Có thể điều chỉnh được nhiệt độ sấy từ 20 ÷ 250C.
+ Độ ẩm của khơng khí vào buồng có thể đạt φ = 23% hồn tồn đáp ứng
chỉ tiêu sấy lạnh của sản phẩm, trong khi độ ẩm bên ngoài là 85%
Giá đầu tư buồng sấy chỉ bằng 50% so với phương pháp cũ (dùng chất
hút ẩm silicagel)
+ Giá vận hành chỉ bằng khoảng 70%
+ Không phải thay thế, tái sinh chất hút ẩm.
+ Có khả năng tự động hóa hồn tồn q trình khống chế nhiệt độ và độ
ẩm của buồng sấy.
Phạm Văn Tùy cùng các cộng sự [11], nghiên cứu và chế tạo thành công
máy sấy lạnh hút ẩm đa năng và ứng dụng sấy một số sản phẩm như: cà rốt, củ
cải, hành lá, thì là... Kết quả được các sản phẩm sau khi sấy vẫn giữ nguyên
màu tự nhiên dù đã sấy khô, hàm lượng vitamin C ở mức cao hơn hẳn so với
các sản phẩm rau quả sấy bằng khơng khí nóng.
Bảng 1.2. So sánh chất lượng thực phẩm sấy bằng công nghệ sấy lạnh so
với các công nghệ sấy truyền thống.
Ngun
liệu

Phương pháp sấy
Sấy bằng khơng khí

Đỏ tối, kém thẳng

-

5,7

Sấy bằng hống ngoại Đỏ bóng, kém thẳng

-

5,6

Sấy lạnh bơm nhiệt

-

6,6

nóng
Cà rốt

Hàm lượng Độ ẩm
Nhận xét chất lượng
vitamin C, cuối,
cảm quan
%

%

Đỏ tự nhiên, bóng thẳng


15

Sấy bằng khơng khí Xanh tối, xốp, kém
nóng
Củ cải

Sấy bằng hống ngoại
Sấy lạnh bơm nhiệt
Sấy lạnh bằng khí

Hành lá nóng

32

5,0

40

5,2

Trắng ngà, thẳng xốp

64

6,1

Xanh tối, xốp, khá thơm

27

6,0

54

5,2

thơm
Trắng ngà hơi đậm, khá
xốp

Sấy bằng hồng ngoại Xanh thẫm, xốp, thơm

Một số đề tài nghiên cứu khác đi vào hướng tối ưu chế độ sấy dựa trên
một hệ thống sấy sẵn có [13]; phân tích hiệu quả làm việc của hệ thống bơm
nhiệt sấy lạnh hay đặc tính động học của một quá trình xảy ra trong hệ thống
[14], [15].
Chung quy lại, các hướng nghiên cứu đều tập trung vào mục đích làm
cho hệ thống bơm nhiệt ngày càng tiết kiệm hơn nữa, ngày càng đa dạng hơn,
sản phẩm sấy chất lượng ngày càng tốt hơn, đáp ứng được nhiều nhu cầu công
nghệ khác nhau.
1.4. Vấn đề thay đổi thông số TNS
Hiện nay, vấn đề tiết kiệm năng lượng đang đặt ra vô cùng cấp thiết. Sấy
là một trong những công đoạn tiêu thụ nhiều năng lượng nhất trong dây chuyền
bảo quản cũng như chế biến sản phẩm. Các phương pháp sấy nóng truyền thống
(sấy đối lưu, sấy tiếp xúc,…) thường sử dụng khơng khí ngồi mơi trường làm

TNS đồng thời là tác nhân thải ẩm, chế độ sấy thường phải duy trì ổn định. Do
đó, năng lượng tiêu thụ cho hệ thống tương đối lớn dẫn đến tiêu thụ năng lượng
trên một đơn vị sản phẩm cao. Ngoài ra, do nhiệt độ vào buồng sấy lớn nên các
phương pháp này không áp dụng được với những vật liệu nhạy cảm với nhiệt
độ. Phương pháp sấy sử dụng bơm nhiệt đã được nghiên cứu và ứng dụng phổ
biến ở nhiều nước trên thế giới vì những ưu điểm vượt trội của nó về mặt tiết