TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 37 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁCH BỐ TRÍ DÀN LẠNH VÀ TỐC ĐỘ GIÓ ĐẾN KHẢ NĂNG TÁCH ẨM TỪ DÀN LẠNH CỦA MÁY SẤY KIỂU BƠM NHIỆT A RESARCH INTO THE INLUENCE OF REFRIGERATION ARRANGEMENT AND WIND VELOCITY ON DEHUMIDIFICATION FROM THE EVAPORATOR OF HEAT- PUMP DRYERS Hoàng Ngọc Đồng Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình thiết bị sấy thực tế ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt. Trình bày các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của cấu tạo của dàn lạnh đến khả năng tách ẩm và đến khả năng sấy của hệ thống sấy nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt. Từ đó xuất đề xuất một số phương pháp làm tăng khả năng làm lạnh, tách ẩm của dàn lạnh nhằm nâng cao hiệu quả bơm nhiệt. Thiết bị sấy ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt đã được xây dựng với qui mô phòng thí nghiệm, đồng thời trên thiết bị đó đã tiến hành các thí nghiệm sấy nông sản với các chế độ sấy khác nhau. ABSTRACT The article presents theoretical and empirical research results on the model of low- temperature dryers with heat pumps. Also, it presents the research results on the influence the structure of refrigeration on the dehumidification and the drying ability of the low-temperature dryers with heat pumps. From the results achieved, the article suggests some methods of promoting refrigeration and dehumidification ability of the evaporator in order to improve the heat pump effect. Low-temperature dryers with heat pumps have been set up within the laboratory scope. At the same time, experiments on drying agricultural products at different drying regulations on this dryer have been conducted. 1. Đặt vấn đề Việt Nam là nước có khí hậu nóng ẩm nên nhu cầu khử ẩm và sấy khô các loại vật liệu, nông sản, thực phẩm, dược liệu… phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu là rất lớn. Yêu cầu về chất lượng sản phẩm xuất khẩu ngày càng cao. Phương pháp sấy ở nhiệt độ cao có thể phá huỷ các chất hoạt tính sinh học như hóc môn, màu, mùi vị, men, vitamin, protêin … và làm thay đổi chất lượng sản phẩm. Phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt đáp ứng được yêu cầu về chất lượng sản phẩm, giữ được màu sắc, mùi vị tự nhiên sau khi sấy, đồng thời có thể tiết kiệm năng lượng tiêu thụ. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 38 Bài báo là trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của cách bố trí dàn lạnh và tốc độ gió đến hiệu quả tách ẩm từ dàn lạnh và đến q trình sấy của hệ thống sấy bằng bơm nhiệt. Nếu dàn lạnh có cấu tạo rất thưa, thì một vấn đề cần phải quan tâm giải quyết là tốc độ gió đi qua nó. Nếu tốc độ gió đi qua dàn lạnh mà lớn thì khi đó các giọt ẩm ngưng tụ trên cánh và ống có thể sẽ bị gió cuốn đi theo vào buồng sấy, như vậy có nghĩa ta chưa thực hiện được q trình tách ẩm ra khỏi khơng khi. Nhưng nếu tốc độ gió q thấp thì sẽ làm giảm khả năng trao đổi nhiệt đối lưu của khơng khí trong hệ thống. Phương án sấy với tốc độ gió thấp chỉ thích hợp để sấy các loại sản phẩm cần phải sấy chậm và phải sấy trong thời gian dài, khơng khí thổi nhẹ. Nếu dàn lạnh có nhiều dãy ống và có cánh (chiều sâu lớn) thì chỉ có một số dãy ống đầu tiên (phần chất lỏng đang bay hơi) là đóng tuyết thơi, còn trong các dãy ống còn lại có thể là hơi q nhiệt do đó khơng khí sẽ ngưng tụ ẩm ít hơn. Khi đó để đạt hiệu quả trao đổi nhiệt tốt thì ta chia dàn lạnh ra 2 hoặc 3 dàn. Trong [1] đã trình bày các kết quả nghiên cứu với thiết bị bơm nhiệt có 1 dàn ngưng và 1 dàn bay hơi, sấy nơng sản ở nhiệt độ buồng sấy 48-50 0 C. Trong bài báo này trình bày các kết quả nghiên cứu khả năng tách ẩm với thiết bị sấy bơm nhiệt có 2 dàn ngưng và 2 dàn bay hơi, sấy ở nhiệt độ sấy thấp hơn (38-40 0 2. Xây dựng thiết bị thí nghiệm C). 2.1. Sơ đồ ngun lý thiết bị sấy: Sơ đồ ngun lý được trình bày trên hình 1.1 Ngun lý hoạt động: Hơi mơi chất ra khỏi dàn lạnh, được máy nén hút về và nén thành hơi cao áp P k có nhiệt độ t k , lưu lượng mơi chất đi vào hai dàn ngưng tụ chính và phụ. được điều chỉnh bởi van V1, nhờ đó có thể điều chỉnh nhiệt độ khơng khí qua dàn ngưng chính NTC vào buồng sấy. Lỏng cao áp từ bình chứa cao áp được đưa đến các dàn lạnh chính (BHC) và phụ (BHP) thơng qua ống mao OM1 và OM2. Hai ống mao này có tác dụng tiết lưu lỏng cao áp thành lỏng hạ áp , đồng thời ống mao có tác dụng đảm bảo áp suất bay hơi trong hai dàn là như nhau. Hình 1.1. Sơ đồ ngun lý thiết bị sấy. MN – Máy nén; NTC – Dàn ngưng chính; NTP – Dàn ngưng phụ; OM - Ống mao BCCA – Bình chứa cao áp; BHC – Dàn lạnh chính; BHP - Dàn lạnh phụ . OM2 OM1 V4 V1 Nước ngưng Không khí ẩm Không khí khô, lạnh Buồng sấy V2 BCCA BHP BHC MN NTC NTP V3 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 39 2.2. Sơ đồ cấu tạo. Thiết bị được chế tạo để có thể tiến hành thí nghiệm theo 2 phương án: - Phương án 1: Khi thiết bị làm việc chỉ với 1 dàn nóng và 1 dàn lạnh (đóng van V2 và V4). sử dụng các bộ phận của máy điều hoà cục bộ làm bơm nhiệt, không khí được làm mát và tách ẩm ở dàn bay hơi, sau đó đi qua dàn ngưng nhận nhiệt đẳng dung ẩm để nâng nhiệt độ và thế sấy lên, được thổi vào buồng sấy. Nhiệt độ không khí nóng sau khi qua dàn ngưng đạ t 48 đến 50 0 - Phương án 2: Điều chỉnh độ mở của V2 để điều chỉnh nhiệt không khí sau dàn nóng và V4 để điều chỉnh nhiệt độ bay hơi trong dàn l ạnh nhằm thay đổi khả năng tách ẩm. C, quá trình sấy được tiến hành ở nhiệt độ. Kết quả thí nghiệm đã được trình bày trong [1]. Không khí sau khi trao đổi nhiệt ẩm với vật sấy trong buồng sấy 10 có thể sẽ cho hồi lưu hoặc không hồi lưu. Khi hồi lưu, không khí sẽ được cho qua đường 12 về lại dàn lạnh phụ 3. Tại đây không khí ẩm được làm lạnh, tách ẩm sơ bộ đến nhiệt độ t 2 rồi tiếp tục về dàn lạnh chính 8. Ở đây không khí được đi bypass ba lần nhằm tăng khả năng làm lạnh và tách ẩm. Không khí ra khỏi dàn lạnh 8 có nhiệt độ t 1 tiếp tục được cho qua dàn nóng chính 7, tại đây không khí được gia nhiệt đẳng dung ẩm đến nhiệt độ t 3 * Các thông số của thiết bị: và đi vào buồng sấy. Dàn ngưng phụ 5 có nhiệm vụ thải bớt nhiệt ra ngoài để điều chỉnh nhiệt độ không khí qua dàn ngưng 8. - Bơm nhiệt: Máy nén 18000 Btu/h; Hai dàn lạnh, diện tích: 2 x 0,672 m 2 ; Hai dàn nóng, diện tích: 2 x 0,832 m 2 Nöôùc ngöng Nöôùc ngöng 11 13 12 10 8 5 9 6 7 2 4 2 3 1 MAËT CAÉT: AA AA ; Hai quạt, công suất: 2 x 0,12 kW; Bình chứa cao áp; Biến trở: 2kW. Hình 1.2. Sơ đồ cấu tạo của mô hình 1-Máy nén; 2-Quạt; 3- Dàn lạnh phụ; 4-Bình chứa cao áp; 5- Dàn ngưng phụ; 6-Điện trở, 7-Dàn ngưng chính; 8-Dàn lạnh chính; 9-bypass; 10- Buồng sấy; 11-Khay sấy; 12- Kênh gió hồi; 13-Kênh gió lạnh TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 40 - Buồng sấy: 660 x 600 x 520mm 3 , cách nhiệt bằng xốp 30mm. * Mô hình thực nghiệm bơm nhiệt đã xây dựng 3. Nội dung thí nghiệm và thảo luận * Các ký hiệu t 0 , P 0, t k , P k : nhiệt độ và áp suất bay hơi, ngưng tụ; t mt : nhiệt độ môi trường, 0 C; t ư : nhiệt độ nhiệt kế ướt của môi trường, 0 C; t 1 , t 2 , t 3 , t 4 : nhiệt độ không khí sau dàn lạnh chính, sau dàn lạnh phụ, sau dàn nóng chính, sau dàn nóng phụ, 0 C; I: cường độ dòng điện, A; G nước 3.1. Thí nghiệm đánh giá khả năng làm lạnh tách ẩm của dàn lạnh : lượng nước ngưng được tách từ dàn bay hơi, g; v: tốc độ gió trong buồng sấy, m/s. 3.1.1. Mục đích. Xác định nhiệt độ không khí sau dàn lạnh và lượng nước ngưng thu được, nhằm đánh giá khả năng làm lạnh tách ẩm của các dàn lạnh. 3.1.2. Kết quả thí nghiệm. a) Thí nghiệm xác định khả năng làm lạnh tách ẩm của dàn lạnh ở chế độ điều hòa Đóng các van cô lập dàn lạnh và dàn ngưng chính, chỉ cho dàn lạnh phụ BHP (hình 1.1) và dàn ngưng phụ DNP hoạt động, thiết bị làm việc chỉ với 1 dàn nóng và 1 dàn lạnh. Sấy hở ở chế độ không tải trong 1giờ cứ 15 p đo 1 lần. Kết quả thí nghiệm được trình bày trên bảng 1.1 b) Thí nghiệm xác định khả năng làm lạnh tách ẩm của dàn lạnh chính. Đóng van V4 để cô lập dàn lạnh phụ (hình 1.1) mở hoàn toàn van V3 cho dàn lạnh chính 8 hoạt động bình thường. Tiến hành sấy hở ở chế độ không tải trong 1giờ cứ 15 phút thì đo 1 lần. Kết qủa thí nghiệm được trình bày trên bảng 1.2. Hình 1.3. Mô hình thực tế thiết bị sấy sử dụng bơm nhiệt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 41 Bảng 1.1. Kết quả đo đạc khi sử dụng dàn lạnh phụ Bảng 1.2. Kết quả đo đạc khi sử dụng dàn lạnh chính c) Thí nghiệm xác định khả năng làm lạnh tách ẩm của cả hai dàn lạnh. Mở hoàn toàn các van V3, V4 cho đồng thời cho các dàn lạnh làm việc bình thường. Tiến hành sấy hở ở chế độ không tải trong 1giờ cứ 15 phút thì đo 1 lần. kết quả thí nghiệm được trình bày trên bảng 1.3 Bảng 1.3. Kết quả đo đạc khi sử dụng đồng thời cả hai dàn lạnh * Nhận xét Đối với dàn lạnh của hệ thống, nếu ta chia dàn lạnh thành hai phần đặt song song thì nhiệt độ không khí sau dàn lạnh đạt được sẽ thấp hơn, lượng nước ngưng thu được lớn hơn rất nhiều so với khi sử dụng một dàn lạnh. Điều này có thể được giải thích như sau: Khi tách thành 2 dàn lạnh đặt song song thì sự đồng đều về nhiệt độ và độ ẩm của không khí khi đi qua dàn thứ hai là cao hơn nên quá trình tách ẩm đạt hiệu quả cao hơn. τ (phút) t ( 0 0 t C) ( k 0 t C) ( mt 0 t C) ( 2 0 t C) ( 4 0 I C) (A) G (g) n2 0 -15 40 28,5 20 37 8 0 15 -13,5 38 28,5 20,5 37,2 8,1 275 30 -13,5 37 28,4 20,5 37,2 8 560 45 -14 35 28,2 20,2 37 7,9 855 60 -12 38,5 28,2 20,5 37 8 1140 τ (phút) t ( 0 0 t C) ( k 0 t C) ( mt 0 t C) ( 1 0 t C) ( 3 0 I C) (A) G (g) n1 0 -10,2 37 28,4 15 36,5 7,8 0 15 -11 38 28,4 15,2 37 8,2 295 30 -10,2 38,5 28,4 14,5 37 8,1 615 45 -11 38 28,2 14,8 37,3 8,1 955 60 -12 38 28,5 14,5 37,5 8 1365 τ (phút) t ( 0 0 t C) ( k 0 t C) ( mt 0 t C) ( 1 0 t C) ( 2 0 t C) ( 3 0 I C) (A) G (g) n 0 -4 39,5 31,5 4 21,5 37,5 9 0 15 -3 40 31 5.5 21,5 39 8,9 355 30 -2,5 40 29,5 6 21 39,8 8,8 855 45 -3,5 40,1 29,2 5.5 21 39,8 8,8 1400 60 -3 40 28,5 5 20,5 39 8,7 1940 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 42 3.2. Thí nghiệm xác định thời gian sấy 3.2.1. Mục đích: Xác định thời gian sấy với hai chế độ sấy có hồi lưu và không có hồi lưu cho cùng một loại vật liệu nhằm đánh giá hiệu quả của hai chế độ sấy này. 3.2.2. Kết quả thí nghiệm: Thực hiện quá trình sấy với 2kg Cà rốt tươi xắt lát với độ dày δ = 3mm có độ ẩm ban đầu là 89%. Tiến hành sấy cho đến khi khối lượng vật sấy là không thay đổi, lúc này coi độ ẩm còn lại trong vật sấy là 5%. a) Thí nghiệm xác định thời gian sấy khi sấy hồi lưu Bảng 1.4: Bảng kết quả các thông số khi sấy hồi lưu b) Thí nghiệm xác định thời gian sấy khi sấy không hồi lưu Bảng 1.5: Bảng kết quả các thông số khi sấy không hồi lưu τ (phút) t ( 0 0 t C) ( k 0 t C) ( mt 0 t C) ( 1 0 t C) ( 2 0 t C) ( 3 0 I C) (A) G (g) n φ (%) 0 -5 40 31,6 4 19 39 8,2 0 89 30 -4 41 32 3,8 22,8 38,5 8,2 160 88,2 60 -4 41 32,5 5 23 39 8,2 750 85,5 90 -4 41 32,8 5,5 23 39,2 8,3 1365 79,5 120 -5 42 33 6 22 40 8,4 1915 72 150 -4 42 33 4 20 39,5 8,5 2115 63,5 180 -4 42 33,5 4 20,5 39 8,6 2350 41,7 210 -4 41 33 4,5 20 39 8,4 2430 28,1 240 -4 41 32,8 5,5 21,5 39,2 8,3 2480 13,8 270 -4 41 33,5 5 20,5 38,8 8,4 2510 6,26 300 -4 42 33 6 22 39,5 8,3 2530 5 τ (phút) t ( 0 0 t C) ( k 0 t C) ( mt 0 t C) ( 1 0 t C) ( 2 0 t C) ( 3 0 I C) (A) G (g) n φ(%) 0 -6 41 31 5,5 23 39 8,4 0 89 30 -3 40 31,5 5 22 38,5 8,3 520 88 60 -3,5 41 32 6 23 39,5 8,2 1850 84 90 -4 39,5 32 5,5 23 39,2 8,4 3500 80,5 120 -5 41 32,5 6 21 40 8,4 5250 75,4 150 -4.5 42 32,5 4,5 20,5 39,5 8,5 6960 68,2 180 -4,5 41 32,5 4 20,5 38 8,4 1080 52 210 -4 40 32 5 21 39 8,3 11580 38,3 240 -4 41 31,5 5,5 21,5 39 8,3 13060 26,5 270 -5 40 31,5 5 20,5 38 8,3 15280 11 300 -4 40 31 4,5 20 38 8,3 16760 5 330 -4,5 40 31 5 21 38,5 8,3 19280 5 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 43 Nhận xét: Khi sấy hồi lưu ở nhiệt độ thấp, một mặt duy trì khả năng tách ẩm trong tác nhân sấy sẽ tăng lên cùng với quá trình thoát ẩm ở vật liệu sấy, mặt khác chúng ta không cần phải sử dụng bơm nhiệt có công suất lạnh lớn mà vẫn đảm bảo năng suất sấy lớn. 4. Kết luận và kiến nghị Bơm nhiệt hút ẩm ngày càng được sử dụng rộng rãi và mang lại hiệu quả kinh tế to lớn, đặc biệt trong ngành sấy nông sản, thực phẩm, dược liệu… Việc nghiên cứu bơm nhiệt vẫn cần phải được tiếp tục nghiên cứu để tìm ra các mô hình thích hợp với điều kiện nước ta nhằm đưa ra thiết bị hoàn thiện hơn, giảm giá thành sản phẩm, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm sấy, giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Qua các kết quả thí nghiệm trên mô hình thiết bị sấy đã được xây dựng có thể rút ra kết luận: 1. Kết cấu dàn lạnh và cách bố trí dàn lạnh có ảnh hưởng lớn đến khả năng tách ẩm của hệ thống. 2. Khi sử dụng hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt có hồi lưu 100% sẽ mang lại hiệu quả cao nhất và tiết kiệm năng lượng hơn so với sấy bằng điện trở. 3. Mô hình thực nghiệm thiết bị sấy ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt đã được xây dựng và đưa vào thử nghiệm đáp ứng được các yêu cầu đề ra và thu được các kết quả đáng tin cậy. Qua kết quả nghiên cứu sấy trên thiết bị ta thấy điểm nổi bật của phương pháp sấy nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt là chi phí năng lượng thấp, chất lượng sản phẩm cao hơn so với phương pháp sấy ở nhiệt độ cao. Như vậy phương pháp sấy ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt có ưu thế lớn trong sấy các sản phẩm yêu cầu sấy ở nhiệt độ thấp, bởi vậy việc sử dụng bơm nhiệt trong hệ thống sấy ở nhiệt độ thấp cần được tiếp tục nghiên cứu một cách toàn diện TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS. Hoàng Ngọc Đồng, Nghiên cứu hệ thống sấy ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt trong công nghệ sấy nông sản - Đề tài cấp Bộ, Mã số B2007-ĐN02-29, Đại học Đà Nẵng. [2] GS.TSKH. Trần Văn Phú, Tính toán và thiết kế hệ thống sấy, NXB Giáo dục 2002. [3] Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tùy, Đinh Văn Thuận (2003) – Kỹ thuật lạnh ứng dụng – NXB Giáo dục. [4] Nguyễn Hay, Nguyễn Văn Hùng, Nguyễn Văn Công Chính, Nguyễn Văn Lành, Lê Quang Giảng – Nghiên cứu sấy bằng nguyên lý bơm nhiệt cho một số nông sản tại Việt Nam - Báo cáo hội nghị khoa học lần thứ 20 – ĐHBK Hà Nội. Trang 88-92. [5] PGS.TS Phạm Văn Tuỳ, KS Nguyễn Thanh Liêm, KS Dương Văn Vường - Bơm nhiệt không khí/không khí với công nghệ hút ẩm và sấy khô – Tạp chí KH & CN Nhiệt, 5/2001. Trang 10 – 12. . TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 5(34).2009 37 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA CÁCH BỐ TRÍ DÀN LẠNH VÀ TỐC ĐỘ GIÓ ĐẾN KHẢ NĂNG TÁCH ẨM TỪ DÀN LẠNH CỦA MÁY SẤY KIỂU BƠM NHIỆT. Bài báo là trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của cách bố trí dàn lạnh và tốc độ gió đến hiệu quả tách ẩm từ dàn lạnh và đến q trình sấy của hệ thống sấy bằng bơm nhiệt. Nếu dàn lạnh. quả nghiên cứu về ảnh hưởng của cấu tạo của dàn lạnh đến khả năng tách ẩm và đến khả năng sấy của hệ thống sấy nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt. Từ đó xuất đề xuất một số phương pháp làm tăng khả