NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ SẤY KIỂU QUAY DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Hồng Dương Hùng Trường Đại học Quảng Bình Hồng Minh Tuấn Trường Cao đẳng Cơng nghiệp Huế Tóm tắt: Ngày nay, với tiến trình cơng nghiệp hóa đại hóa tồn giới, nhu cầu lượng người ngày tăng cao Trong đó, lượng mặt trời (NLMT) nguồn lượng xem dồi tiềm Do việc nghiên cứu nâng cao hiệu thiết bị sấy sử dụng NLMT triển khai ứng dụng chúng vào thực tế vấn đề có tính thời Hiện nay, nước giới nghiên cứu, chế tạo số thiết bị sấy NLMT như: nhà sấy, hộp sấy, ván sấy, tủ sấy, hầm sấy NLMT sử dụng collector phẳng Tuy nhiên, hiệu suất chưa cao, chất lượng sản phẩm sấy chưa đảm bảo Bài báo đưa kết nghiên cứu, chế tạo thử nghiệm thiết bị sấy kiểu quay sử dụng NLMT với hiệu cao, sấy đều, đảm bảo chất lượng sản phẩm sấy ứng dụng để sấy số loại nông sản thực tế MỞ ĐẦU Từ trước đến nước ta, khâu phơi sấy nông sản, bà nông dân thường sử dụng dạng hong phơi tự nhiên trực tiếp ánh nắng mặt trời Đây phương pháp đơn giản với chi phí thấp, phù hợp với điều kiện nước ta Tuy nhiên phương pháp có nhiều hạn chế sản phẩm khơ khơng đồng đều, lẫn tạp chất điều kiện sân phơi, bị loài động vật phá hoại phụ thuộc vào thời tiết Hiện nhà khoa học nước nghiên cứu ứng dụng NLMT để gia nhiệt thu phẳng, … cho thiết bị sấy nông sản nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng xạ mặt trời, đảm bảo suất chất lượng sản phẩm sấy, bên cạnh tồn số yếu điểm cần khắc phục Với lý đó, việc nghiên cứu, chế tạo thiết bị sấy kiểu quay dùng NLMT với hiệu sấy cao, sấy đều, rút ngắn thời gian sấy đảm bảo chất lượng sản phẩm sấy cao mục đích nghiên cứu THIẾT BỊ KIỂU QUAY DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 Mô tả thiết bị Đây loại máy sấy NLMT sử dụng để sấy khô nông sản với quy mô hộ gia đình sản xuất nhỏ Các phận máy sấy kiểu quay dùng NLMT bao gồm thu NLMT, ống hấp thụ bên bao phủ ống kính, động cơ, khung đỡ, … bố trí mơ tả hình Ống hấp thụ sơn đen có chiều dài L = 1,2m đường kính D = 0,4m Vật liệu sấy cấp vào thùng sấy qua cửa (6) cánh dẫn hướng vào thùng sấy Nhiệt độ dùng để sấy tạo parabol thu xạ NLMT sau phản xạ qua kính vào ống hấp thụ ống hấp thụ làm nóng khơng khí bên Khơng khí nóng trao đổi nhiệt trao đổi chất với vật liệu cần sấy, trình trao đổi tăng lên nhờ chuyển động quay ống hấp thụ cánh đảo bên Hơi ẩm vật liệu sấy quạt hút ngồi qua đường thoát ẩm Vật liệu sau sấy đảm bảo độ ẩm đưa qua cửa (7) Tốc độ quay máy sấy khoảng 10 ÷ 15 vòng/phút Hình Thiết bị sấy kiểu quay dùng lượng mặt trời Gương Parabol Động Vật liệu Ống kính Ống hấp thụ Khung đỡ Vật liệu vào Khơng khí vào 2.2 Tính tốn nhiệt hệ thống thiết bị 2.2.1 Truyền nhiệt từ ống kính đến mơi trường a Dòng nhiệt đối lưu Tổn thất nhiệt đối lưu từ ống kính mơi trường lớn đặc biệt có gió tính cơng thức Newton [7]: Q56conv = k56.lk  D5 (T5  T6 ) Trong đó: T5 T6 k56 56 D5 NuD5 (1) k56 = (2) : nhiệt độ bề mặt bên ngồi ống kính, K : nhiệt độ mơi trường, K 56 D5 Hình Cân lượng chiều thiết bị Nu D T5  T6  W m K T  T6  W : hệ số dẫn nhiệt đối lưu khơng khí , m.K : đường kính bên ngồi ống kính, m : số Nusselt trung bình dựa đường kính ngồi ống kính : hệ số truyền nhiệt đối lưu khơng khí , b Dòng nhiệt xạ Q57rad =  D5  l k  (T54  T74 ) W m K : hệ số phát xạ bề mặt ngồi ống kính : hệ số Stefan - Boltzmann, 5 Trong đó:  (3) T7 : nhiệt độ hiệu bầu trời, K 2.2.2 Hấp thụ xạ mặt trời qua ống kính a Hấp thụ xạ mặt trời ống kính Q5SolAbs = q si  e  e Ac Với: (4)  e   1'  2'  3'  4'  5'  6'  cl K (5) Trong đó: Q5SolAbs: lượng hấp thụ xạ mặt trời ống kính, W W qsi : lượng xạ mặt trời, m e : hiệu suất quang học ống kính e : hệ số hấp thụ ống kính K : hệ số thay đổi góc tới Ac : diện tích hấp thụ ống kính, m2 b Hấp thụ xạ mặt trời ống hấp thụ Q3SolAbs = q si  a  a Aa  a   e  e Với: (6) (7) Trong đó: a : hệ số hiệu quang học ống hấp thụ a : hệ số hấp thụ ống hấp thụ e : độ truyền qua ống kính Aa : diện tích hấp thụ ống hấp thụ, m2 2.2.3 Truyền nhiệt từ ống hấp thụ môi trường Tương tự mục 2.2.1 xác định dòng nhiệt đối lưu Q36conv dòng nhiệt xạ Q37rad 2.2.4 Dòng nhiệt dẫn qua nắp hai đầu ống hấp thụ ngồi mơi trường Dòng nhiệt dẫn qua nắp phẳng hai đầu ống hấp thụ tính [5]: Qcond,c = e de Ae T (8) Trong đó: Qcond,c : dòng nhiệt dẫn qua nắp hai đầu ống hấp thụ ngồi mơi trường, W e : hệ số dẫn nhiệt nắp, de : chiều dày nắp, m Ae : diện tích nắp, m2 T : độ chênh nhiệt độ, K  = 100% t2 t1 O suất d, g/kg d1 = d i d2 (9) Để dự đoán lượng nhiệt sử dụng cho lò dùng NLMT ta có phương trình cân lượng: Qprod = Qin - Qheatloss Với: đó: i ti Từ tính tốn mục ta có cơng tối đa hệ thống sấy NLMT: Qin = Q5SolAbs + Q3SolAbs I, kJ/kg W m.K Hình 3: Đồ thị I-d tính tốn q trình sấy Qheatloss = Q57rad + Q56conv + Q36conv + Q37rad + Qcond,c (10) Qprod : công suất thiết bị sấy quay dùng lượng mặt trời, W Qin : công suất tối đa thiết bị sấy quay dùng lượng mặt trời, W sấy Trong Qheatloss: tổn thất nhiệt thiết bị sấy quay dùng lượng mặt trời, W Hiệu suất lý thuyết thiết bị sấy quay dùng NLMT tính [5]: Q prod (11)  th  Qin TÍNH HIỆU SUẤT NHIỆT THIẾT BỊ SẤY THĨC KIỂU QUAY DÙNG NLMT Khối lượng thóc khơ hồn tồn tính theo [4]: mG1 = mGK(1+ X0), kg ẩm mG1 : khối lượng thóc ẩm ban đầu, kg ẩm (12) mGK : khối lượng thóc khơ hồn tồn, kg X0 : độ ẩm tuyệt đối ban đầu thóc, % Trong đó: Khối lượng thóc sau khỏi thùng sấy tính theo [4]: mG2 = mGK(1+ X1), kg ẩm Với:X1 (13) : độ ẩm tuyệt đối cuối thóc, % tách tính theo cơng thức: bay ẩm từ thóc Lượng ẩm mv = mW  3.1 Lượng nhiệt làm Q1 = mv.ΔHW, kJ/h Trong đó: (14) mv : lượng ẩm tách giờ, kg ẩm/h ΔHW : lượng nhiệt bay ẩm, kJ/kg 3.2 Lượng nhiệt làm bay khơng khí có nhiệt độ nhiệt kế ướt vào khỏi thùng sấy Q2 = mv.Cph.(T2 - TW), kJ/h Với:Cph (15) : nhiệt dung riêng nước, kJ/kg độ T2 : nhiệt độ khơng khí, oC TW : nhiệt độ nhiệt kế ướt vào không khí, oC 3.3 Lượng nhiệt làm cho nước bay từ nhiệt ban đầu thóc đến nhiệt độ nhiệt kế ướt đầu vào khơng khí Q3 = mv.Cpw.(TW – Tm1), kJ/kg Trong đó: Cpw Tm1 (15) : nhiệt dung riêng nước, kJ/kg độ : nhiệt độ ban đầu thóc, oC 3.4 Lượng nhiệt dùng để sấy thóc ứng với nhiệt độ đầu vào Q4 = mGK.Cps.(Tm2 - Tm1), kJ/kg Với: (17) Cps : nhiệt dung riêng thóc, kJ/kg độ Tm2 : nhiệt độ thóc, oC 3.5 Lượng nhiệt dùng để sấy khơ ẩm lại sản phẩm cuối từ nhiệt độ đầu vào đến nhiệt độ đầu thóc Q5 = mGK.X1.Cpw.(Tm2 - Tm1), kJ/kg lượng nhiệt truyền cho sản phẩm tính [4]: Q = (1 + α).(Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5), kJ/kg (18) Toàn (19) Với α hệ số đại diện cho tổn thất nhiệt dẫn nhiệt mặt bên ngồi máy sấy khơng khí, đặc biệt xạ nhiệt Lưu lượng không khí G cần để truyền lượng nhiệt hữu ích cho máy sấy là: G= Q , kg/h C pk Ti  T2  (20) Để làm nóng khơng khí, phải chế tạo thu lượng mặt trời hấp thụ xạ Sự tải nhiệt cho việc làm nóng dòng khí từ nhiệt độ khơng khí ban đầu T1 đến nhiệt độ khơng khí máy sấy Ti, tính tốn cơng thức [4]: Qh = G.Cpk.(Ti – T0), kJ/h Hiệu suất nhiệt máy sấy thóc là:  th  (21) Q1  Q2  Q3  Q4  Q5 Qh (22) KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Đo đạc vẽ biểu đồ phân bố nhiệt độ hệ thống theo thời gian Các số liệu sau đo nhiều ngày vào mùa hè, nhiệt độ ngày đo cao Huế 38,7oC, thấp 22,7oC, nhiệt độ trung bình 29oC, trời khơng mây, gió nhẹ Thời gian đo ngày từ 8h đến 16h 4.2 Kết thí nghiệm sấy lúa mơ hình thiết bị sấy kiểu quay dùng NLMT Hình 4: Mơ hình máy sấy nơng sản kiểu quay dùng NLMT 110 900 100 800 90 700 80 600 70 500 60 400 50 300 40 200 30 100 20 30.00% 25.00% 20.00% Độ ẩm 1000 Cường độ xạ, W/m2 120 Mẻ 15.00% Nhiệt độ môi trường (oC) 10.00% Nhiệt độ khơng khí thùng sấy (oC) 5.00% Mẻ Mẻ Cường độ BXMT (W/m2) 0.00% 8h 00 8h 30 9h 00 9h 10 h0 10 h3 11 h0 11 h3 12 h0 12 h3 13 h0 13 h3 14 h0 14 h3 15 h0 15 h3 16 h0 Nhiệt độ, oC Sau chế tạo hồn thành mơ hình thiết bị sấy kiểu quay dùng lượng mặt trời, chúng tơi thí nghiệm mơ hình với sản phẩm sấy lúa tươi (giống lúa Khang Dân) Qua gần hai tháng thử nghiệm với thông số thể bảng (4.1) 0h 1h 2h 3h 4h 5h 6h 7h Thời gian Hình Nhiệt độ thùng sấy phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường BXMT Đường cong giảm ẩm theo thời gian mẻ sấy Bảng 4.1 Kết thực nghiệm q trình sấy thóc 8h Địa điểm: Khoa Nhiệt lạnh - Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Huế Thời gian: Tháng 5, năm 2011 Số thí nghiệm Mẻ Mẻ Mẻ 56  3, oC 28oC 65 3, oC 34oC 70 3, oC 36oC 80% 11 - 8:00h 8h 26,7% 13,6% 76% 01 - 8:00h 6h 26% 13% 75% 08 - 8:00h 5h 25,9% 12,1% Trọng lượng lúa ban đầu Trọng lượng lúa sau sấy Công suất động Độ nứt hạt trước sấy 50kg 42,3kg 430W 12,00% 50kg 41,5kg 430W 12,00% 50kg 40,7kg 430W 12,00% Độ nứt hạt sau sấy Độ nứt hạt, phơi nắng 13,75% 17,80% 14,00% 17,80% 14,75% 17,80% Nhiệt độ sấy Nhiệt độ môi trường Độ ẩm môi trường Thời gian bắt đầu Thời gian sấy Ẩm độ đầu Ẩm độ cuối 4.3 Đánh giá hiệu suất hệ thống Bảng 4.2 Thơng số kích thước, nhiệt độ, vật lý quang học hệ thống Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Đường kính ống hấp thụ D3 0,4 M Đường kính ống kính Chiều dài ống hấp thụ Chiều dài ống kính Chiều dài ống hấp thụ khơng có kính D5 l lk lkc 0,5 1,2 1,2 0,75 M M M M Hiệu suất quang học ống kính Độ truyền qua ống kính Hệ số phát xạ bề mặt ống kính Hệ số phát xạ bề mặt ống hấp thụ Nhiệt độ bề mặt ngồi ống kính Nhiệt độ bề mặt ống hấp thụ Nhiệt độ hiệu mặt trời Hệ số dẫn nhiệt nắp (có cách nhiệt) ηe τe ε5 ε3 T5 T3 T7 % e 0,74 0,969 0,86 0,052 309 341 283 0,027 Chiều dày nắp hai đầu ống hấp thụ de 0,08 K K K W m.K M Cường độ xạ mặt trời qsi 900 W m2 Với thông số đo q trình thực nghiệm Thay vào cơng thức (1) (3) ta tính tổn thất xạ Q57rad = 231,43W, Q37rad = 19,23W Tổng tổn thất nhiệt dẫn nhiệt qua nắp hai đầu ống hấp thụ Qcond,c = 3,06W Giả sử khơng có tổn thất nhiệt đối lưu ( Qconv = 0) Tính lượng nhiệt mà thiết bị sấy kiểu quay dùng NLMT sản xuất Q prod = 707,8W Từ tính hiệu suất nhiệt lý thuyết thiết bị sấy ηth = 73,6% KẾT LUẬN Qua trình nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm, khảo sát thực nghiệm sấy lúa tươi thiết bị, qua xác định thơng số trình sấy: quy luật thay đổi nhiệt độ, độ ẩm thiết bị sản phẩm sấy theo thời gian Kết cho thấy sử dụng thiết bị sấy kiểu quay dùng NLMT giảm nhân cơng phục vụ cho công tác sấy, giảm tổn thất trình sấy so với phơi nắng tự nhiên thiết bị sấy đối lưu tự nhiên collector phẳng, đặc biệt tăng tốc độ sấy, giảm thời gian sấy đảm bảo chất lượng sảm phẩm sấy cao Ngoài thiết bị sấy kiểu quay sấy loại hạt nơng sản khác Không gặp thời tiết không thuận lợi thiết bị sấy khơ sản phẩm nguồn phụ trợ lượng khác TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Dương Hùng (2007), Năng lượng Mặt trời lý thuyết ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] Hồng Đình Tín (2001), Truyền nhiệt tính tốn thiết bị trao đổi nhiệt, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [3] Anthony F Mills, Heat and Mass Transfer (1995), University of California at Los Angeles [4] Arun S Mujumdar (2006), Handbook of Industrial Drying, Taylor and Francis Group, LLC [5] Jeroen van Luijtelaer BSc, (2006), The Rotating Solar Boiler, Delft University of Technology [6] John A Duffie, William A Beckman (1991), Solar Engineering of Thermal Processes, A Wiley – Interscience Publication [7] R Forristall (2003), Heat Transfer Analysis and Modeling of a Parabolic Through Solar Receiver Implemented in Engineering Equation Solver, NREL STUDY ON ROTATING DRYER USING SOLAR ENERGY Hoang Duong Hung Quang Binh University Hoang Minh Tuan Hue Industrial College Abstract: Nowadays, along with the process of industrialization and modernization all over the world, energy demands of human increase rapidly In particular, solar energy is a clean source of energy which is considered to be abundant and potential source Therefore, the study of improving the efficiency of solar energy dryers and applying them into reality is an important duty There are many domestic and international research results which study on solar energy dryers using plane collector such as: drying houses, drying boxes, drying boards, drying cabinets, drying tunnel… However, the performance is not high and the product quality is not good This article shows the results of research and experimental manufacture on rotating dryers which using solar energy with high efficiency, steady drying and good quality and can apply for many agricultural products ... nhiệt thiết bị sấy quay dùng lượng mặt trời, W Hiệu suất lý thuyết thiết bị sấy quay dùng NLMT tính [5]: Q prod (11)  th  Qin TÍNH HIỆU SUẤT NHIỆT THIẾT BỊ SẤY THĨC KIỂU QUAY DÙNG NLMT Khối lượng. .. sấy Qheatloss = Q57rad + Q56conv + Q36conv + Q37rad + Qcond,c (10) Qprod : công suất thiết bị sấy quay dùng lượng mặt trời, W Qin : công suất tối đa thiết bị sấy quay dùng lượng mặt trời, W sấy. .. thực nghiệm sấy lúa tươi thiết bị, qua xác định thơng số q trình sấy: quy luật thay đổi nhiệt độ, độ ẩm thiết bị sản phẩm sấy theo thời gian Kết cho thấy sử dụng thiết bị sấy kiểu quay dùng NLMT