Đang tải... (xem toàn văn)
Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới với tiềm năng bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới. Trong đó tỉnh Thừa Thiên Huế nói riêng và khu vực miền Trung nói chung, cường độ bức xạ tương đối lớn. Tuy nhiên, người dân chỉ mới biết tận dụng NLMT một cách thủ công và họ chưa hiểu rỏ về việc dùng NLMT để thay thế các nguồn năng lượng khác. Do đó việc nghiên cứu, thiết kế các thiết bị sấy sử dụng NLMT có ý nghĩa khoa học và thực tiễn đối với đời sống của người dân. Xuất phát từ những vấn đề trên, tôi chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế mẫu thiết bị sấy hạt nông sản sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ năng lượng mặt trời ở khu vực miền Trung”
Phần ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, an ninh lượng trở thành vấn đề cấp thiết thời đại Nguồn lượng nghiên cứu sử dụng là: lượng gió, lượng mặt trời (NLMT), lượng địa nhiệt, lượng từ sinh khối Trong vấn đề quan tâm nguồn lượng nhiệt hạch từ mặt trời Năng lượng mặt trời ứng dụng số ngành khoa học, kỹ thuật đời sống Vì nguồn lượng có tiềm lớn nguồn lượng Nên việc sử dụng lượng mặt trời giải pháp thay cho nguồn nhiên liệu hoá thạch ngày cạn kiệt Nước ta nước nông nghiệp Nông sản sau thu hoạch chưa làm khô mức thuận tiện cho việc bảo quản lâu dài tổn thất tương đối lớn Ta giảm độ ẩm cho nơng sản nhiều cách: phơi trực tiếp nắng mặt trời Đây phương pháp đơn giản chi phí thấp lại có nhiều nhược điểm: phụ thuộc vào thời tiết, chất lượng nông sản kém, làm khô không đều, nhiều khơ q mức ngày nắng nóng, chậm khô gặp thời tiết xấu, dễ bị côn trùng, sâu mọt phá hoại, dễ bị nhiễm bẩn Chính mà nơng sản khó đạt độ ẩm giới hạn bảo quản Việt Nam nằm khu vực nhiệt đới với tiềm xạ mặt trời vào loại cao giới Trong tỉnh Thừa Thiên Huế nói riêng khu vực miền Trung nói chung, cường độ xạ tương đối lớn Tuy nhiên, người dân biết tận dụng NLMT cách thủ công họ chưa hiểu rỏ việc dùng NLMT để thay nguồn lượng khác Do việc nghiên cứu, thiết kế thiết bị sấy sử dụng NLMT có ý nghĩa khoa học thực tiễn đời sống người dân Xuất phát từ vấn đề trên, chọn đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế mẫu thiết bị sấy hạt nông sản sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ lượng mặt trời khu vực miền Trung” Phần TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 Một số khái niệm định nghĩa xạ mặt trời 2.1.1 Một số khái niệm *Mặt trời, cấu tạo của mặt trời: Hình 2.1 Mặt trời Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.10^6km (lớn 110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150.10^6km (bằng một đơn vị thiên văn AU ánh sáng mặt trời cần khoảng phút để vượt qua khoảng này đến trái đất) Khối lượng mặt trời khoảng Mo = 2.10^30kg Nhiệt độ T o trung tâm mặt trời thay đổi khoảng từ 10.10^6K đến 20.10^6K, trung bình khoảng 156.10^5K Ở nhiệt độ vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm các nguyên tử và phân tử Nó trở thành plasma đó các hạt nhân của nguyên tử chuyển động tách biệt với các electron Khi các hạt nhân tự có va chạm với sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch Khi quan sát tính chất của vật chất nguội bề mặt nhìn thấy được của mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ở lòng mặt trời *Cường độ xạ (CĐBX), En (W/m2 ): Là cường độ lượng xạ mặt trời đến bề mặt tương ứng với đơn vị diện tích bề mặt *Năng lượng xạ (NLBX), (J/m 2): Là đại lượng tích phân cường độ xạ khoảng thời gian định (thường 1giờ hay 1ngày) * Tổng xạ mặt trời lên bề mặt đặt trái đất bao gồm phần trực xạ tán xạ - Phần trực xạ: Là phần bề mặt nhận ánh sáng chiếu trực tiếp - Phần tán xạ: Hướng xạ khuếch tán truyền tới bề mặt hàm số độ mây độ suốt khí Các đại lượng thay đổi nhiều Có thể xem xạ tán xạ tổng hợp ba thành phần: + Thành phần tán xạ đẳng hướng: Phần tán xạ nhận đồng từ tồn vịm trời + Phần tán xạ quanh tia: Phần tán xạ bị phát tán BXMT xung quanh tia mặt trời + Phần tán xạ chân trời : Phần tán xạ tập trung gần đường chân trời *Hằng số mặt trời(HSMT): HSMT định nghĩa CĐBX đo khơng gian nằm ngồi lớp khí bao quanh trái đất đơn vị thời gian, đơn vị diện tích bề mặt đặt vng góc với tia xạ Người ta xác định dược HSMT có giá trị E sn=1.353W/m2,tương đương với 1940Cal/cm2/phút, hay 4.871kJ/m2/h Tuy nhiên đến mặt đất, bị hấp thụ tán xạ nên CĐBX giảm đáng kể Theo [6] cụ thể E n=500 ÷1000W/m2 2.1.2 Định nghĩa xạ mặt trời: Bức xạ mặt trời nguồn lượng nguyên thủy hầu hết trình vận động vô sinh hữu sinh trái đất Các trình vo sinh hoạt động máy móc, q trình vật lý khí , Hình 2.2 Cấu trúc mặt trời Các biện pháp thu lượng mặt trời phục vụ đời sống là: - Chuyển xạ mặt trời sang nhiên liệu thực vật nhờ thực trình quang hợp (trồng làm chất đốt, trồng lấy hạt có dầu, chuyển thành nhiên liệu ) - Chuyển xạ mặt trời thành điện nhờ pin mặt trời (sử dụng hiệu ứng quang điện Becquerl phát từ năm 1939 biến đổi trực tiếp lượng mặt trời thành dòng điện) - Chuyển xạ mặt trời thành nhiệt (hiệu ứng quang nhiệt), phương pháp hiệu lĩnh vực sử dụng lượng mặt trời.Trong nhiều thiết bị hiệu suất chuyển đổi đạt 60% Nhiệt tạo thành sử dụng cho nhiều mục đích nấu nướng, đun nóng nước hay chất lỏng khác, sấy sản phẩm nông nghiệp hay cơng nghiệp, làm lạnh điều hịa khơng khí 2.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến cường độ xạ mặt đất 2.2.1 Tỷ khối khí m Tỷ khối khí m tỉ số quãng đường xun qua lớp khí quyền từ điểm mặt đất nhìn thấy so với quãng đường xuyên qua lớp khí theo phương xuyên tâm trái đất 2.2.2 Sự suy giảm cường độ xạ mặt trời xuyên qua lớp khí Khi phân tích số liệu BXMT phát từ bề mặt mặt trời bên ngồi lớp khí nhiều năm người ta thấy cường độ BXMT thay đổi ít, khoảng 1% Vì vậy, xét cho trình dùng cho mục đích lượng, thay đổi bỏ qua Tuy nhiên, BXMT xuyên qua lớp khí cường độ chúng suy giảm đáng kể bị hấp thụ nước hay bị tán xạ gặp phân tử khí O2,O3,CO2,NO2 , hạt bụi bay lơ lửng khơng khí hay phân tử khác, xuyên qua đám mây 2.2.3 Ảnh hưởng khoảng cách mặt trời trái đất + Khoảng cách mặt trời trái đất có ảnh hưởng đến CĐBXMT Để xem ảnh hưởng đất mặt trời đến cường độ BXMT mặt đất, đất chuyển động quỹ đạo chu kì năm Sự định hướng trục đất với chuyển động xung quanh mặt trời xung quanh trục riêng nó, dẫn tới thay đổi khoảng cách đất mặt trời, tức thay đổi CĐBXMT bề mặt đất ngày, hàng tháng, hàng mùa năm + CĐBXMT phụ thuộc vào khoảng cách tương đối mặt trời điểm quan sát trái đất Trong ngày khoảng cách giảm dần mặt trời lặn Như vậy, CĐBX tương ứng tăng dần buổi sáng đạt giá trị lớn Emax vào trưa sau giảm dần vào buôi chiều 2.3 Các nguyên lý sử dụng lượng mặt trời 2.3.1 Nguyên lý chuyển hoá quang nhiệt: Là phương pháp chuyển xạ mặt trời sang nhiệt Quá trình dựa vào nguyên lý sau: * Nguyên lý hội tụ xạ tiêu điểm: - Hội tụ theo điểm: Là thiết bị gương cầu lõm có dạng paraboloit trịn xoay, mặt có độ phản xạ cao nhờ tập trung vào tiêu điểm, Nhiệt độ từ vài trăm đến 3000 0C - Hội tụ theo đường: Là thiết bị dùng gương hình lịng máng dài, mặt cắt ngang có dạng parabol, mặt phản xạ phía làm hội tụ xạ mặt trời theo đường tiêu cự Ví dụ: Hình 2.3 Bếp mặt trời dùng gương lõm hội tụ tiêu điểm * Nguyên lý bẫy nhiệt nhờ hiệu ứng lồng kính: Bộ phận thu nhiệt hộp có nắp đậy vật liệu suốt kính vật liệu tổng hợp (polyetylen nhựa cứng), mặt đáy kim loại bôi đen Khi xạ mặt trời chiếu qua mặt suốt tồn xạ xuyên qua vào hộp làm nóng bề mặt bôi đen, mặt đen hấp thụ nhiệt phát xạ nhiệt, khơng có nắp suốt ngăn lại xạ nhiệt toả mơi trường nhiệt độ mặt hấp thụ ổn định nhiệt độ khơng cao (700C) Ví dụ: Hình 2.4 Bếp mặt trời kiểu đơn giản 2.3.2 Nguyên lý chuyển hoá quang điện Là trình biến NLMT trực tiếp thành lượng điện pin mặt trời Cơ sở nguyên lý cấu vật lý điện tử kỹ thuật Transistor vật liệu bán dẫn Hình 2.5 NLMT chuyển hoá thành điện Hiệu ứng quang điện (Tiếng Anh: Photoelectric effect) tượng điện - lượng tử, điện tử khỏi vật chất sau hấp thụ lượng từ xạ điện từ Hiệu ứng quang điện người ta dùng với tên Hiệu ứng Hertz, nhà khoa học Heinrich Hertz tìm Việc nghiên cứu hiệu ứng quang điện đưa tới bước quan trọng việc tìm hiểu lượng tử ánh sáng electron, tác động đến hình thành khái niệm lưỡng tính sóng hạt Hiện tượng: Khi bề mặt kim loại chiếu xạ điện từ có tần số lớn tần số ngưỡng (tần số ngưỡng giá trị đặc trưng cho chất làm nên kim loại này), điện tử hấp thụ lượng từ photon sinh dòng điện (gọi dòng quang điện) Khi điện tử bị bật khỏi bề mặt kim loại, ta có hiệu ứng quang điện (external photoelectric effect) Các điện tử phát tần số xạ nhỏ tần số ngưỡng điện tử không cung cấp đủ lượng cần thiết để vượt khỏi rào (gọi cơng thốt) Điện tử phát xạ tác dụng xạ điện từ gọi quang điện tử Ở số chất khác, chiếu sáng với tần số vượt tần số ngưỡng, điện tử không bật khỏi bề mặt, mà thoát khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự (điện tử dẫn) chuyển động lòng khối vật dẫn, ta có hiêu ứng quang điện (external photoelectric effect) Hiệu ứng dẫn đến thay đổi tính chất dẫn điện vật dẫn, đó, người ta cịn gọi hiệu ứng hiệu ứng quang dẫn Ví dụ: Hình 2.6 Một pin mặt trời(áp dụng nguyên lý chuyển hóa quang điện) 2.4 Tình hình sử dụng lượng mặt trời giới, nước tỉnh Thừa Thiên Huế 2.4.1 Tình hình sử dụng lượng mặt trời giới nước Năng lượng mặt trời nguồn lượng mà người biết sử dụng từ sớm, ứng dụng NLMT vào công nghệ sản xuất quy mô rộng thực vào cuối kỷ 18 chủ yếu nước nhiều lượng mặt trời, vùng sa mạc Từ sau khủng hoảng lượng giới năm 1968 1973, NLMT đặc biệt quan tâm Các nước công nghiệp phát triển tiên phong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT Các ứng dụng NLMT phổ biến bao gồm lĩnh vực chủ yếu sau: Hình 2.7 Hệ thống pin mặt trời nhà máy Montesquieu (Pháp) Pin mặt trời phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đổi quang điện Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ lắp đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt lĩnh vực tàu vũ trụ Ứng dụng NLMT dạng phát triển với tốc độ nhanh, nước phát triển Ngày người ứng dụng pin NLMT để chạy xe thay dần nguồn lượng truyền thống Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời cịn cao, trung bình khoảng 5USD/WP, nên nước phát triển pin mặt trời có khả cung cấp lượng điện sử dụng cho vùng sâu, xa nơi mà đường điện quốc gia chưa có Ở Việt Nam, với hỗ trợ số tổ chức quốc tế thực thành công việc xây dựng trạm pin mặt trời có cơng suất khác phục vụ nhu cầu sinh hoạt văn hoá địa phương vùng sâu, vùng xa, đồng sông Cửu Long Tây Nguyên Tuy nhiên pin mặt trời cịn hàng xa xỉ nước nghèo Điện cịn tạo từ NLMT dựa nguyên tắc tạo nhiệt độ cao hệ thống gương phản chiếu hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền động cho máy phát điện Hiện nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có loại hệ thống thu chủ yếu sau đây: Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia xạ mặt trời vào ống môi chất đặt dọc theo đường hội tụ thu, nhiệt độ đạt tới 400 oC Hệ thống nhận nhiệt trung tâm cách sử dụng gương phản xạ có định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT đến thu đặt đỉnh tháp cao, nhiệt độ đạt tới 1500oC Hình 2.8 Nhà máy nhiệt điện sử dụng lượng mặt trời *Tháp lượng mặt trời: Hình 2.9 Tháp lượng Mặt trời Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT vào thu đặt tiêu điểm gương, nhiệt độ đạt 1500oC Hiện người ta dùng lượng mặt trời để phát điện theo kiểu “ tháp lượng mặt trời - Solar power tower “ Australia tiến hành dự án xây dựng tháp lượng mặt trời cao 1km với 32 tuốc bin khí có tổng cơng suất 200 MW Dự tính đến năm 2006 tháp lượng mặt trời cung cấp điện năm 650GWh cho 200.000 hộ gia đình miền tây nam New South Wales - Australia, giảm 700.000 khí gây hiệu ứng nhà kính năm * Thiết bị sấy NLMT: Thiết bị sấy khơ dùng lượng mặt trời: Hình 2.10 Sấy ca cao Hiện NLMT ứng dụng phổ biến lĩnh nông nghiệp để sấy sản phẩm ngũ cốc, thực phẩm nhằm giảm tỷ lệ hao hụt tăng chất lượng sản phẩm Ngoài mục đích để sấy loại nơng sản, NLMT cịn dùng để sấy loại vật liệu gỗ * Bếp nấu dùng lượng mặt trời: Bếp lượng mặt trời ứng dụng rộng rãi nước nhiều NLMT nước Châu Phi Độ ẩm hạt trước lúc sấy yếu tố quan trọng, định phương thức sấy, thời gian sấy chi phí cho q trình sấy đồng thời định thời gian bảo quản hạt Ngoài ra, cịn định chế độ sấy * Kích thước, hình dáng hạt: Mỗi loại nơng sản có kích thước hình dáng khác Dựa vào kích thước hình dáng hạt mà ta quy định lỗ sàng sấy, chế độ sấy, phương pháp sấy, thời gian sấy, đồng hạt trình sấy * Độ trống rỗng khối hạt: Giữa phần tử hạt có khoảng khơng khơng khí gọi độ trống rỗng khối hạt Độ trống rỗng S hạt tỷ số phần thể tích thực tế ν hạt với thể tích W khối hạt S= v × 100% ;% W Độ rỗng khối hạt có ý nghĩa lớn, ảnh hưởng đên lưu thơng khơng khí, truyền nhiệt dịch chuyển ẩm khối hạt Nếu khối hạt có độ rỗng lớn khả lưu thơng khơng khí dễ dàng hơn, làm tăng khả tiếp xúc với nguồn khơng khí nóng trình sấy, truyền dẫn nhiệt khối hạt tăng Vì vậy, độ rỗng lớn trình sấy hạt nhanh 5.3.1 Tính chất lý số hạt: * Tính dẫn nhiệt khối hạt: Hạt khối hạt có tính dẫn nhiệt truyền nhiệt Hạt có độ dẫn nhiệt thấp Mỗi loại hạt có độ dẫn nhiệt khác Tốc độ sấy hạt nhanh hay chậm phụ thuộc vào yếu tố tác nhân sấy, tốc độ lưu thông dịng khí nóng khả dẫn nhiệt khối hạt * Tính hấp phụ khối hạt: Tất loại hạt có khả hút ẩm vào hạt ta gọi tính hấp phụ hạt Ngược lại hạt có khả nhã nước khí ngồi Ngun nhân gây tính hấp phụ hạt có cấu tạo dạng keo nhiều ông mao quản Khi đạt đến W cb(độ ẩm cân bằng) với độ ẩm mơi trường q trình sấy dừng lại * Khối lượng thể tích khối hạt: Khối lượng riêng xốp khối hạt tỷ số phần khối lượng thể tích khối hạt, g/m 3, kg/m3.Khi hạt sấy khô, khối lượng riêng xốp tăng độ co ngót cá thể hạt làm cho thể tích hạt giảm Khối lượng riêng xốp ảnh hưởng đến kích thước, kết cấu thiết bị 5.3.2 Ví dụ nhiệt độ sấy số loại hạt: Bảng 5.3 Bảng nhiệt độ sấy số loại hạt: TT Loại hạt Làm giống độ ẩm (%) Lúa 35-40 50 Ngô 38-44 70 Đậu tương 35-38 45 Lạc 40-45 50 Thương phẩm (%) 5.4 Nghiên cứu để lựa chọn thiết bị sấy hạt sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ NLMT phù hợp với nông hộ địa bàn Thừa Thiên Huế 5.4.1 Phân tích ưu nhược điểm nguyên lý sấy NLMT * Phương pháp phơi nắng: Nhược điểm: - Phụ thuộc vào thời tiết, chủ động khâu phơi sấy - Nông sản dể bị nhiễm bẩn, bị lẫn đất cát phơi sấy không vệ sinh, bị tổn thất gãy vỡ, côn trùng, sâu mọt phá hoại - Khi trời mưa khơng xử lý kịp nông sản bị ẩm mốc - Tốn nhiều công lao động khơng giới hố - Khó đạt độ ẩm bảo quản, chất lượng hạt giảm, hạt dể bị nứt ngầm Hình 5.4 Phơi nắng tự nhiên cho lúa a Nguyên lý sấy trực tiếp kiểu đối lưu tự nhiên: - Ưu điểm: hệ thống có cấu tạo đơn giản, dể chế tạo, chủ động trời mưa nhờ có đậy suốt Hệ thống sấy buồng kín nên hạn chế phá hoại côn trùng, chim, chuột Mặt khác, đến mùa mưa ta tận dụng nhà sấy để bảo quản hạt - Nhược điểm: hiệu suất sấy khơng cao, khó tạo dịng khí đối lưu với tốc độ lớn, nhiều thời gian, trình sấy chậm, suất sấy khơng cao, sấy lớp mỏng Tam suot BXMT Sang say KK nong Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống sấy trực tiếp đối lưu tự nhiên b Nguyên lý sấy gián tiếp kiểu đối lưu tự nhiên: - Ưu điểm: hệ thống sấy gián tiếp cho nhiệt độ sấy cao hiệu suất hấp thụ cao (do chế tạo riêng biệt với hệ thông nhà sấy), trình sấy đồng khơng khí nóng từ lên trên, kết cấu hệ thống không phức tạp - Nhược điểm: diện tích chiếm chổ lớn, tốc độ sấy không cao, phù hợp với sấy lớp mỏng KK am Mai che Sang say BXMT collector KK vao Hình 5.2 S đồ h ệ th ống s gián ti ếp đối l ưu t ự nhiên c Nguyên lý sấy hổn hợp kiểu đối lưu tự nhiên: Để tăng khả làm nóng sản phẩm sấy, ta sử dụng nguyên lý sấy hổn hợp Khơng khí nóng từ lên từ xuống Do làm tăng tốc độ sấy độ đồng cao Ngồi ra, cịn tăng lưu thơng dịng khơng khí nóng nên tăng suất sấy so với loại thiết bị Mặt khác, loại thiết bị đơn giản, không phụ thuộc vào nguồn lượng khác Đối với loại thiết bị sấy kiểu đối lưu tự nhiên, địi hỏi độ xác, chế tạo khơng cao, độ kín khít chổ ghép nối khơng q phức tạp, vật liệu có sẵn phổ biến Với hệ thống nhà sấy hổn hợp này, thu NLBX toàn hệ thống sấy Tuy nhiên, hệ thống sấy gián tiếp, hệ thơng có nhược điểm KK am diện tích chiếm chổ lớn Tam suot BXMT Sang say BXMT collector KK vao Hình 5.3 Sơ đồ hệ thống sấy hổn hợp đối lưu tự nhiên d Nguyên lý sấy gián tiếp kiểu đối lưu cưỡng : - Ưu điểm hệ thống hiệu suất sấy cao Nhờ có quạt cưỡng nên làm tăng khả trao đổi ẩm vật sấy với không khí nóng, tốc độ sấy nhanh, tăng lưu thơng khơng khí, q trình sấy đồng hơn, thời gian sấy nhanh tăng bề dày lớp sấy, sấy với nhiều loại nơng sản - Nhược điểm: cần thêm nguồn lượng từ bên để chạy quạt nên giá thành đắt, đòi hỏi phải lắp đặt chế tạo phận xác, kín khít, tính chất vật liệu địi hỏi cao BXMT collector KK am Sang say Quat Khi nong KK vao Hình 5.4 Sơ đồ hệ thống sấy đối lưu cưỡng 5.4.2 Lựa chọn kết cấu, mơ hình hệ thống sấy, sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ NLMT phù hợp quy mô nông hộ Căn vào ưu nhược điểm phân tích trên, vào điều kiện dạng vật liệu sấy, điều kiện kinh tế, vật liệu phổ biến thị trường Chúng chọn mô hình hệ thống nhà sấy: với nguyên lý sấy hổn hợp tức vừa sấy trực tiếp vừa sấy gián tiếp kiểu đối lưu tự nhiên * Nguyên lý hoạt động thiết bị sấy (hình 5.3) sau: Hai phận thiết bị sấy (collector buồng sấy) liên kết với bu lông, đảm bảo độ an tồn, kín khít Hệ thống đặt theo hướng Nam, để collector thu BXMT vào buổi sáng buổi chiều Nguyên lý hoạt động sau: Cho lúa vào buồng sấy sàn sấy, đậy nắp lại Lúa làm nóng thơng qua collector (riêng biệt với buồng sấy), collector (buồng sấy) Khi đó, lớp hạt làm nóng nhờ hấp thụ trực tiếp BXMT suốt, lớp hạt làm nóng nhờ khơng khí nóng từ lên collector Nhờ chênh lệch nhiệt độ nhiệt độ phía phía lớp hạt buồng sấy tạo thành dịng khí đối lưu đẩy ẩm ngồi qua cửa khơng khí ẩm Ta tăng tốc độ sấy, tăng độ đồng cách đảo trộn lớp vật liệu sấy 5.5 Thiết kế mơ hình sấy 5.5.1 Tính tốn, thiết kế mơ hình sấy hạt sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ NLMT 5.5.2 Tính tốn, xác định thơng số mơ hình sấy - Chọn vật liệu sấy lúa tươi - Từ công thức tính hiệu suất sấy: ηc= → Ac= V ρ C p ∆t Ac E n V ρ C p ∆t (5.3) (5.4) η c E n Với: - V: Thể tích khí thổi qua collector thời gian, m3/s - ρ: Tỉ trọng khơng khí, kg/m3 - Cp: Nhiệt dung riêng khơng khí, 0C - Ac: Tiết diện thu collector, m2 - En: Cường độ xạ mặt trời, W/m2 - ηc : Hiệu suất collector * Ta cần xác định khối lượng khơng khí nhiệt lượng cần thiết để sấy khơ 200 kg lúa tươi từ độ ẩm 28% đến 13% để từ tính diện tích thu Lượng ẩm cần tách khỏi hạt 200 kg lúa tươi: W= G (ω1 − ω ) 100 − ω = 200(28 − 13) = 34,5 kg ẩm 100 − 13 Trong đó: ω1: độ ẩm ban đầu lúa (28%) ω2: độ ẩm cần đạt sau sấy (13%) → Lượng ẩm cần tách thời gian: t= ω1 − ω 28 − 13 = = 16,7 h ω 0,9 Với t: thời gian sấy (h), ω (%/h) tốc độ sấy (thường từ 0,8-1,5), sấy hạt giống nhỏ hơn, ta chọn tốc độ sấy ω=0,9 sấy đối lưu tự nhiên Vì t số tự nhiên nên ta quy tròn thời gian: Chọn t = 17 h Tách 17h 34,5 (kg/ẩm) 1h x? → Như vậy, lượng ẩm cần tách 1h là: x= 1× 34,5 =2,03 (kg ẩm/h) 17 Tính tốn cân nhiệt- ẩm trình sấy để xác định thơng số cần thiết: - Trạng thái khơng khí trước collector: d0, I0 VỚI d0 : Độ chứa ẩm khơng khí trước collector I0 : Entanpi khơng khí trước collector Ta chọn: t0=300C; Pkk=1 bar; φ0=80%; tra bảng phụ lục [6] ta được: Phs=0,04241 bar + Độ chứa ẩm khơng khí trước qua collector: d0= 0,622 ϕ × Phs 0,622 × 0,8 × 0,04241 = = 0.022 kg/kg KKK p − Phs − 0,04241 Với: P: áp suất khơng khí ẩm; Phs0: áp suất bảo hoà nước nhiệt độ t0 + Entanpi khơng khí: I0=Cpk.t0+d0(r+Cph.t0) Với: Cph ≈1,93 kJ/kgkk (nhiệt dung riêng nước); r=2500 kJ/kg kk (nhiệt ẩn hoá nước); Cpk ≈1 kJ/kgkk (nhiệt dung riêng khơng khí khơ) I0=1,30+0,022(2500+1,93 × 30)=86,3(kJ/kgKK) - Trạng thái khơng khí sau collector: d1, I1, φ1, ρ1 Với d1 : Độ chứa ẩm khơng khí sau collector I1 : Entanpi khơng khí sau collector φ1 : Độ ẩm khơng khí sau collector ρ1: Áp xuất khơng khí sau collector Ta chọn t1=700C → tra bảng phụ lục [6] ta được: Phs1=0,3117 bar Xem hệ thống kín có d1=d0=0,022 (kg/kg KKK) nên: + I1=Cpk.t1+d1(r+Cph.t1)=1 × 70+0,022(2500+1,93 × 70)=128 (kJ/kg KK) d1 × P 0,022 × × 100% = × 100% =11% (0,622 + d1 ) × p hs1 (0,622 + 0,022) × 0,3117 99333 99333 +ρk1= (287 + 462 × d ) × (273 + t ) = (287 + 462 × 0,022) × (273 + 70) = 0,975 kg/m3 1 + φ1= Với: Phs1: áp suất bảo hoà nước nhiệt độ t1 ρk1 : Khối lượng riêng khơng khí khơ - Trạng thái khơng khí cuối q trình sấy:d2,I2,φ2,p2 Ở trạng thái xác định I2=I1=128 (kJ/kg) t2 Ta chọn t2=350C → tra bảng phụ lục [6] ta được: Phs2=0,05622 bar + d2= I − C pk × t + φ2 = r + C ph × t = 128 − × 35 = 0,036 (kg/kg KKK) 2500 + 1,93 × 35 d2 × P 0,036 × × 100% × 100% = = 97,3% 0,622 + d 2) × Phs (0,622 + 0,036) × 0,05622 + Khối lượng riêng khơng khí khơ tính cho 1m3 khơng khí ẩm: 99333 99333 ρk2= (287 + 462 × d ) × (273 + t ) = (287 + 462 × 0,036) × (273 + 35) = 1,06 kg/m3 2 - Tiêu hao khơng khí lý thuyết: + Khơng khí cần thiết để bốc 1kg ẩm là: 1 l= d − d = 0,036 − 0,022 = 71,43 kg KK/kg ẩm + Nếu xem hệ thống kín lượng khơng khí cần thiết để sấy 200kg lúa tươi từ độ ẩm 28% ÷ 13% là: L=l × W=71,43 × 34,5=2464,3 kg KK → Trong 1h cần lượng khơng khí : L=71,43 × 2,03=145 kg/h → ρk = ρ k1 + ρ k 0,975 + 1,06 = = 1,0175 kg/m3 2 → Tổng thể tích khơng khí qua collector để sấy 200kg lúa là: L 2464,3 V’= ρ = 1,0175 = 2422 m3 k → Thể tích khơng khí qua collector 1s là: V= V' 2422 = = 0,04 m3/s 3600 × 17 3600 × 17 + Tỉ trọng không khí là: 99333 99333 ρ= (287 + 462 × d ) × (273 + t ) = (287 + 462 × 0,022) × (273 + 30) = 1,1 kg/m3 0 - Từ công thức 5.4 số liệu: V=0,04 m3; ρ=1,1 kg/m3; Cp=1,005 kJ/kg KK=1,005.1000 J/kg KK ∆t=t1-t0=70-30=400C; En=900 W/m3 [6]; Chọn ηc=0,30 [12] → Diện tích collector: Ac= 0,04 × 1,1 × 1,005 × 1000 × 40 = 6,65 m2 0,30 × 900 Chọn diện tích collector Ac =6,65 m2 G - Diện tích sàn sấy: S= ρ × a ; m2 h Với: ρh: tỉ trọng hạt (lúa 530kg/m3) a: bề dày lớp hạt cần sấy; chọn a=0,1 m G: khối lượng hạt cần sấy(kg) G 200 = 3,8 m2 → S= ρ × a = 530 × 0,1 h Chọn diện tích sàn sấy là: m2 - Tiêu hao nhiệt cần thiết: Năng lượng tiêu tốn để bốc 1kg ẩm là: q = l × ( I − I ) = 71,43 × (128 − 86,3) = 2979 KJ/kg ẩm Năng lượng cần thiết để bay 34,5 kg ẩm Q = q × W = 2979 × 34,5 = 102775,5 kJ=1,03 × 105 kJ → Năng lượng cần thiết 1h để sấy khô 200 kg lúa là: Q = 2979 × 2,03 = 6047,37 (kJ/h) Thiết kế phận chính: Chú thích: Kính suốt Gỗ Sàng Phủ nilong suốt Sắt V4 Tôn mạ kẽm sơn đen Tôn sơn đen Cửa nạp liệu Hình 5.5 Cấu tạo mơ hình thiết bị sấy NLMT suất 200kg/mẻ Qua sơ đồ nguyên lý chọn trên, thiết bị sấy có phận hấp thụ nhiệt: Hấp thụ gián tiếp (collector 1) hình vẽ trên: Bộ thu (collector 1) với nguyên lý bẫy nhiệt làm cho dịng khơng khí nóng lên Dịng khí thổi vào buồng sấy xuyên qua sàn sấy sản phẩm sấy Hấp thụ trực tiếp buồng sấy (collector 2): Dịng khí làm nóng lên nhờ đậy suốt hấp thụ trực tiếp BXMT từ phía xuống Theo tính tốn trên, ta chọn: - Diện tích buồng sấy là: 4m2 - Diện tích collector là: 3m2 - Hiệu suất chung collector là: chọn η =0,30 * Collector 1: - Vật liệu suốt (1) kính trắng xây dựng dày 5mm; - Tấm hấp thụ (2) tơn sóng mạ kẽm sơn đen dày 2mm; - Tấm cách nhiệt (3) gỗ nhóm 3, dày 3cm; - Luồng khí qua phía hấp thụ - Dài x rộng x cao: x 1,5 x 0,2 m *Collector 2: - Tấm đậy suốt (7) nilong suốt dày 0,5mm; - Tấm hấp thụ (4) tơn phẳng sơn đen; - Cách nhiệt phía buồng sấy gỗ nhóm dày 3cm Các số liệu chọn dựa sở tính tốn mơ hình sấy thí nghiệm * Sàng sấy ta chọn tôn trắng phẳng Phần KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 6.1 Kết luận Qua trình nghiên cứu tìm hiểu đề tài, chúng tơi thực số kết sau: - Đã tìm hiểu tình hình ứng dụng NLMT phục vụ sản xuất đời sống nước địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế Nước ta nước có tiềm lớn NLMT, nhiên việc ứng dụng NLMT để thay nguồn lượng khác hạn chế - Đã phân tích ưu nhược điểm nguyên lý sấy NLMT để từ chọn nguyên lý sấy phù hợp với quy mô nông hộ Đó sử dụng hiệu ứng lồng kính ngun lý bẫy nhiệt kết hợp xạ trực tiếp từ NLMT để cấp nhiệt cho buồng sấy theo kiểu đối lưu tự nhiên với suất 200kg/mẻ sấy - Đã tính tốn, xây dựng tốn cân nhiệt- ẩm cho mơ hình thiết bị sấy sử dụng hiệu ứng quang nhiệt làm sở để thiết kế mô hình sấy thí nghiệm 200kg hạt từ độ ẩm 28% xuống 13% - Đã phân tích ưu nhược điểm mơ hình thiết bị sấy từ đề xuất kết cấu kiểu nhà sấy hạt phù hợp TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Nguyễn Bốn, TS Hoàng Dương Hùng, Giáo trình lượng mặt trời, NXB Khoa Học Kỷ Thuật [2] Đỗ Minh Cường, Luận văn Thạc sỹ - 2008 [3] Hoàng Văn Chước Kỷ thuật sấy NXB Khoa học & Kỷ thuật 2003 [4] Hoàng Văn Chước Thiết kế hệ thống thiết bị sấy, NXB Khoa học kỷ thuật, Hà Nội ─ 2006 [5] Cao Văn Hùng, Nguyễn Hữu Dương Sấy bảo quản thóc, ngơ giống gia đình, NXB Nơng nghiệp, Thành phố HCM, 2001 [6] TS Hồng Dương Hùng, Giáo trình lượng mặt trời lý thuyết ứng dụng [7] Nguyễn Văn May Giáo trình kỷ thuật sấy nơng sản thực phẩm, NXB Khoa học kỷ thuật, Hà Nội ─ 2002 [8] TS Đặng Minh Nhật Giáo trình kỷ thuật sấy nơng sản thực phẩm, Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng [9] Ngơ Thị Thu Lan, Khóa Luận Tốt Nghiệp – 2009 [10] GS TSKH Trần Văn Phú Giáo trình kỹ thuật nhiệt, NXB Giáo Dục [11] Trần Văn Phú, Lê Nguyên Dương Kỷ thuật sấy nông sản, NXB Khoa học kỷ thuật, Hà Nội ─ 1994 [12] Trần Văn Phú Tính tốn thiết kế hệ thống sấy, NXB Giáo Dục, 2001 [13] Phạm Thanh Kỷ thuật sấy 1, Đại học Bách khoa Đà Nẵng [14] Nguyễn Công Vân, Năng lượng Mặt trời trình nhiệt ứng dụng, Nhà xuất KHKT [15] Nguồn tài liệu từ internet: Http://www.nhietlanhvietnam.com Http://cnx.org/content/m31314/latest MỤC LỤC Phần ĐẶT VẤN ĐỀ Phần TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU .2 2.1 Một số khái niệm định nghĩa xạ mặt trời 2.1.1 Một số khái niệm 2.1.2 Định nghĩa xạ mặt trời: 2.2 Những yếu tố ảnh hưởng đến cường độ xạ mặt đất 2.2.1 Tỷ khối khí m .4 2.2.2 Sự suy giảm cường độ xạ mặt trời xuyên qua lớp khí 2.2.3 Ảnh hưởng khoảng cách mặt trời trái đất 2.3 Các nguyên lý sử dụng lượng mặt trời .5 2.3.1 Nguyên lý chuyển hoá quang nhiệt: Là phương pháp chuyển xạ mặt trời sang nhiệt Quá trình dựa vào nguyên lý sau: 2.3.2 Nguyên lý chuyển hoá quang điện .6 2.4 Tình hình sử dụng lượng mặt trời giới, nước tỉnh Thừa Thiên Huế 2.4.1 Tình hình sử dụng lượng mặt trời giới nước 2.4.2 Tình hình sử dụng NLMT địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế 13 2.5 Các nguyên lý sấy sử dụng NLMT 13 2.5.1 Nguyên lý sấy sử dụng Việt Nam 13 2.5.2 Phương pháp làm khô tự nhiên (phơi nắng) .16 2.5.3 Phương pháp làm khô nông sản thiết bị sấy dùng NLMT 16 2.6 Mục tiêu nhiệm vụ đề tài 18 2.6.1 Tính cấp thiết đề tài: 18 2.6.2 Mục tiêu đề tài: 18 2.6.3 Các nhiệm vụ đề tài: 18 Phần ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 19 3.1 Đối tượng nghiên cứu 19 3.2 Phạm vi nghiên cứu 19 3.3 Phương pháp nghiên cứu 19 3.3.1 Phương pháp điều tra thu thập xử lý số liệu 19 3.3.2 Phương pháp thiết kế phân tích kết cấu: 19 3.3.3 Phương pháp xây dựng mơ hình tính tốn giải tích 19 3.3.4 Phương pháp thiết kế kết cấu và cấu tạo của nhà sấy 19 3.3.5 Phương pháp phân tích đồ thị, biểu đồ: 19 Phần CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA Q TRÌNH SẤY HẠT NƠNG SẢN SỬ DỤNG NLMT .20 4.1 Một số khái niệm 20 4.2 Bản chất trình sấy hạt 20 4.3 Các công nghệ sấy hạt 21 4.4 Cở sở lý thuyết trình sấy 22 4.4.1 Các dạng liên kết vật liệu ẩm 22 4.4.2 Quá trình hấp thụ hạt khối hạt 24 4.4.3 Độ ẩm hạt 24 4.4.4 Quan hệ vật liệu ẩm khơng khí : 25 4.4.5 Qúa trình bay ẩm : 27 4.4.6 Các giai đoạn trình sấy 28 4.4.7 Chuyển động ẩm trình sấy: .29 Quá trình sấy đến độ ẩm cân gồm giai đoạn : 30 - Giai đoạn đốt nóng sản phẩm sấy, tương ứng với đoạn AB 30 - Giai đoạn vận tốc sấy không đổi (đẳng tốc), đoạn BK1 30 - Giai đoạn vận tốc sấy giảm dần, tương ứng với đoạn K1C 30 - Điểm K1 gọi điểm tới hạn, tương ứng với độ ẩm tới hạn Wth, xuất ẩm tự 30 Việc xác định hai giai đoạn sấy có ý nghĩa quan trọng để thiết lập chế độ sấy phù hợp với giai đoạn sấy loại sản phẩm sấy 30 4.5 Lý thuyết trình sấy hạt .31 4.6 Lý thuyết trình sấy xạ mặt trời 32 4.6.1 Cơ chế truyền nhiệt chuyển khối sấy xạ .32 4.6.2 Phương trình cân lượng thu kiểu lồng kính 32 4.7 Cân vật chất trình sấy sử dụng NLMT .32 Phần NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU .34 5.1 Khái quát điều kiện khí hậu địa bàn tỉnh Thừa Thiên huế: 34 5.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình chuyển hố quang nhiệt 35 5.3 Tính chất lý số hạt nông sản ảnh hưởng đến q trình sấy: 36 5.3.1 Tính chất lý số hạt: 37 5.3.2 Ví dụ nhiệt độ sấy số loại hạt: 38 5.4 Nghiên cứu để lựa chọn thiết bị sấy hạt sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ NLMT phù hợp với nông hộ địa bàn Thừa Thiên Huế 38 5.4.1 Phân tích ưu nhược điểm nguyên lý sấy NLMT .38 a Nguyên lý sấy trực tiếp kiểu đối lưu tự nhiên: 39 b Nguyên lý sấy gián tiếp kiểu đối lưu tự nhiên: 39 c Nguyên lý sấy hổn hợp kiểu đối lưu tự nhiên: 40 d Nguyên lý sấy gián tiếp kiểu đối lưu cưỡng : 40 5.4.2 Lựa chọn kết cấu, mơ hình hệ thống sấy, sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ NLMT phù hợp quy mô nông hộ .41 5.5 Thiết kế mô hình sấy .42 5.5.1 Tính tốn, thiết kế mơ hình sấy hạt sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ NLMT 42 5.5.2 Tính tốn, xác định thơng số mơ hình sấy .42 Phần KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .47 6.1 Kết luận 47 ... hóa quang điện) 2.4 Tình hình sử dụng lượng mặt trời giới, nước tỉnh Thừa Thiên Huế 2.4.1 Tình hình sử dụng lượng mặt trời giới nước Năng lượng mặt trời nguồn lượng mà người biết sử dụng từ sớm,... sử dụng NLMT thay nguồn lượng truyền thống trở thành yêu cầu sống sản xuất 2.6.2 Mục tiêu đề tài: Thiết kế được mẫu thiết bị sấy hạt sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ lượng mặt trời cho nông. .. PHÁP NGHIÊN CỨU 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Quá trình xạ hấp thụ lượng mặt trời - Các nguyên lý mẩu thiết bị sấy hạt nông sản sử dụng hiệu ứng quang nhiệt từ NLMT - Một số tính chất lý số hạt nơng