1
MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................... 1
LỜI CAM ĐOAN .......................................................................................... 3
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ................................................................ 4
DANH MỤC HÌNH ....................................................................................... 5
DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................ 7
MỞ ĐẦU ....................................................................................................... 8
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN .......................................................................... 9
1.1. Công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới ................ 11
1.2. Công nghệ sấy sử dụng NLMT ở việt nam....................................... 15
CHƯƠNG 2. THỰC NGHIỆM .................................................................... 28
2.1. Đối tượng nghiên cứu ...................................................................... 28
2.2. Phạm vi và mục tiêu nghiên cứu ...................................................... 28
2.3. Phương pháp đo đạc, phân tích ........................................................ 28
2.3.2 Đo nhiệt độ, độ ẩm, năng lượng bức xạ mặt trời ........................ 31
2.3.3 Đo độ ẩm của gỗ trong lò sấy .................................................... 32
2.4. Quy trình sấy gỗ .............................................................................. 36
CHƯƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN................................................. 38
3.1. Giải mã lớp hấp thụ nhiệt của lò sấy sử dụng NLMT ....................... 39
3.2. Nhiệt độ lò sấy NLMT trong sấy gỗ keo xẻ ..................................... 45
3.1.1 Nhiệt độ lò sấy vào mùa nhiều nắng .......................................... 46
3.1.2 Nhiệt độ, nhiệt lượng lò sấy vào mùa ít nắng ............................. 49
3.3. Khả năng xả ẩm của lò sấy áp dụng cho sấy gỗ keo xẻ..................... 53
3.3.1 Giai đoạn 1 (giảm độ ẩm gỗ về 30%) ......................................... 53
3.3.2 Giai đoạn 2 (giảm độ ẩm gỗ về độ ẩm bão hòa thớ gỗ, 25%) ..... 55
3.3.3 Giai đoạn 3 (đưa độ ẩm gỗ về giá trị mong muốn) ..................... 56
3.4. Khả năng giảm thải CO2 của lò sấy sử dụng NLMT......................... 58
KẾT LUẬN.................................................................................................. 60
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................ 61
PHỤ LỤC 1: QUY TRÌNH VẬN HÀNH LÒ SẤY ...................................... 64
PHỤ LỤC 2: SỐ LIỆU ĐO ĐẠC ................................................................. 66
2
LỜI CẢM ƠN
Để thực hiện và hoàn thành đề tài Luận văn này, tôi đã nhận được sự hỗ
trợ, giúp đỡ và tạo điều kiện từ Dự án “Công nghệ sấy thế hệ mới sử dụng năng
lượng mặt trời ứng dụng trong Nông - Lâm nghiệp tại Việt Nam”, Trung tâm Phát
triển công nghệ cao – Viện Hàn lâm KHCNVN.
Tôi xin chân thành cảm ơn TS. Nguyễn Tuấn Hồng, người hướng dẫn khoa
học đã dành nhiều thời gian dẫn dắt tôi trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành
Luận văn này.
Tôi xin trân trọng cám ơn Ban giám hiệu, trường Học viện Khoa học và
Công nghệ Việt Nam cùng toàn thể các thầy cô giáo đã tận tình truyền đạt những
kiến thức quý báu, giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và nghiên cứu.
Quá trình thực hiện và hoàn thành luận văn, tôi luôn nhận được sự động
viên, khích lệ từ gia đình, bạn bè và đồng nghiệp.
Hà Nôi, ngày…tháng … năm 2021
Tác giả
Nguyễn Khắc Hiệp
3
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn về đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ
mặt trời và nhiệt độ môi trường đến hiệu suất lò sấy gỗ sử dụng năng lượng
mặt trời” là công trình nghiên cứu của cá nhân tôi trong thời gian qua. Mọi số
liệu sử dụng phân tích trong Luận văn và kết quả nghiên cứu là do tôi tìm hiểu,
phân tích một cách khách quan, trung thực, có nguồn gốc rõ ràng và chưa được
công bố dưới bất kỳ hình thức nào.
Tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm nếu có sự không trung thực trong thông
tin sử dụng trong công trình nghiên cứu này!
Hà Nội, ngày
tháng
năm 2021
Tác giả
Nguyễn Khắc Hiệp
4
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
EDX
Energy-Dispersive X-ray (Tán xạ năng lượng tia X)
EMC
Equilibrium Moisture Content (Độ ẩm cân bằng)
IR
NLMT
NLBX
Infrared (hồng ngoại)
Năng lượng mặt trời
Năng lượng bức xạ
SEM
UV-VIS
XRD
Scanning Electron Microscopy (Kính hiển vi điện tử quét)
Ultraviolet-Visible (Tử ngoại khả kiến)
X–ray Diffraction (Nhiễu xạ tia X)
5
DANH MỤC HÌNH
Hình 1. 1 Nhà sấy sử dụng năng lượng mặt trời ở Ấn Độ ................................ 13
Hình 1. 2 Nhà sấy sử dụng năng lượng mặt trời ở Úc. ..................................... 14
Hình 1. 3 Thiết bị sấy gỗ sử dụng lớp phủ nhà sấy có khả năng hấp thụ nhiệt và
làm nóng không khí bên trong buồng sấy của Công ty Wood-mizer. ............... 15
Hình 1. 4 Thiết bị sấy sử dụng ống nhiệt thủy tinh chân không làm bộ thu nhiệt Công ty TNHH Phát triển Ứng dụng Kỹ nghệ mới (SAV) ............................... 16
Hình 1. 5 Nhà sấy sử dụng hiệu ứng nhà kính có cải tiến - Công ty Cổ phần Công
nghệ năng lượng bền vững Việt Nam ............................................................. 18
Hình 1. 6 Nhà sấy sử dụng hiệu ứng nhà kính có cải tiến - Dự án Wecare ....... 18
Hình 1. 7 Nồi hơi có buồng đốt phụ made in Đức và Việt Nam ....................... 21
Hình 1. 8 Sơ đồ luân chuyển chất lỏng tải nhiệt trong thiết bị sấy gỗ kết hợp năng
lượng điện và năng lượng mặt trời ................................................................... 22
Hình 1. 9 Hình ảnh thực tế của lò sấy sử dụng NLMT ..................................... 24
Hình 1. 10 Sơ đồ mặt cắt thể hiện nguyên lý hoạt động của lò sấy NLMT ....... 25
Hình 1. 11 Chu trình làm việc ban ngày........................................................... 26
Hình 1. 12 Chu trình làm việc ban đêm ........................................................... 27
Hình 2. 1 Sơ đồ tia tới và tia phản xạ trên tinh thể ........................................... 29
Hình 2. 2 Cảm biến đo đổ ẩm gỗ solamoist...................................................... 35
Hình 2. 3 Sắp xếp gỗ trong lò sấy .................................................................... 36
Hình 3. 1 Hình ảnh trực quan của lớp phủ hấp thụ năng lượng mặt trời ........... 39
Hình 3. 2 Ảnh SEM chụp mặt cắt ngang của lớp phủ hấp thụ năng lượng mặt trời
........................................................................................................................ 40
Hình 3. 3 Phổ EDX của lớp phủ hấp thụ năng lượng mặt trời của lò sấy .......... 41
Hình 3. 4 Phổ truyền qua hồng ngoại của lớp phủ hấp thụ năng lượng mặt trời của
lò sấy............................................................................................................... 41
6
Hình 3. 5 Phổ hồng ngoại biến đổi truyền qua của lớp phủ hấp thụ năng lượng
mặt trời của lò sấy (trên) và mẫu PE chuẩn (dưới) ........................................... 42
Hình 3. 6 Giản đồ nhiễu xạ tia X (XRD) của lớp phủ hấp thụ năng lượng mặt trời
của lò sấy ........................................................................................................ 43
Hình 3. 7 Phổ bức xạ mặt trời .......................................................................... 44
Hình 3. 8 Phổ UV-VIS của lớp phủ hấp thụ năng lượng mặt trời của lò sấy ..... 45
Hình 3. 9 Đồ thị nhiệt độ buồng sấy và điều kiện thời tiết (ngày 26/05/2021) .. 46
Hình 3. 10 Chênh lệch nhiệt độ trong lò và ngoài trời (ngày 26/05/2021) ........ 47
Hình 3. 11 Nhiệt độ bên trong lò sấy và ngoài môi trường đêm 22/05/2021 ..... 48
Hình 3. 12 So sánh nhiệt độ trong lò và ngoài trời ngày 10/06/2021 ................ 49
Hình 3. 13 Chênh lệch nhiệt độ trong lò và ngoài trời ngày 10/06/2021 ........... 49
Hình 3. 14 So sánh nhiệt độ trong lò và ngoài trời ngày 19/12/2020 ................ 50
Hình 3. 15 Chênh lệch nhiệt độ trong lò và ngoài trời ngày 19/12/2020 ........... 51
Hình 3. 16 Hình so sánh nhiệt độ trong lò và ngoài trời đêm ngày 19/12/2020 rạng
sáng 20/12/2020 .............................................................................................. 52
Hình 3. 17 Chênh lệch nhiệt độ trong lò và ngoài trời đêm ngày 19/12/2020 rạng
sáng 20/12/2020 .............................................................................................. 52
Hình 3. 18 Đường cong độ ẩm trong lò sấy giai đoạn 1 ................................... 54
Hình 3. 19 Đường cong độ ẩm trong lò sấy giai đoạn 2 ................................... 55
Hình 3. 20 Đường cong độ ẩm trong lò sấy giai đoạn 3 ................................... 58
7
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2. 1 Liên hệ giữa EMC của gỗ với độ ẩm tương đối (RH) và nhiệt độ môi
trường (buồng sấy…) ...................................................................................... 34
Bảng 3. 1 Chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài lò sấy theo các mẫu thời tiết ..... 53
Bảng 3. 2 Lượng phát thải CO2 của các loại lò sấy .......................................... 59
Bảng phụ lục 2. 1 Nhiệt độ lò sấy và điều kiện thời tiết ngày 26/5/2021 .......... 66
Bảng phụ lục 2. 2 Nhiệt độ bên trong lò sấy và ngoài trời đêm 22/5/2021........ 69
Bảng phụ lục 2. 3 Số liệu nhiệt độ lò sấy ngày 10/06/2021 .............................. 70
Bảng phụ lục 2. 4 Số liệu nhiệt độ lò sấy ngày 19/12/2020 .............................. 72
Bảng phụ lục 2. 5 Số liệu nhiệt độ lò sấy đêm ngày 19/12/2020....................... 74
8
MỞ ĐẦU
Trong chế biến gỗ, sấy là một trong những khâu quan trọng. Có nhiều
phương pháp sấy gỗ khác nhau, ví dụ: sấy hơi quá nhiệt, sấy ngưng tụ ẩm, sấy
chân không, sấy cao tần và vi sóng, sấy sử dụng năng lượng mặt trời (hong phơi
tự nhiên hoặc dùng nguyên lý chuyển năng lượng mặt trời thành nhiệt năng…).
Phương pháp hong phơi tự nhiên thường kéo dài và khó kiểm soát chất lượng gỗ
sấy. Phương pháp sấy ngưng tụ ẩm, sấy chân không và sấy cao tần là công nghệ
mới, chi phí đầu tư ban đầu lớn và chỉ thích hợp với sấy một số loại gỗ cao cấp,
đắt tiền. Phần lớn các lò sấy gỗ hiện nay chủ yếu sử dụng công nghệ sấy hơi quá
nhiệt vì chi phí đầu tư hợp lý, gỗ sau sấy chất lượng đạt yêu cầu người dùng. Tuy
nhiên, phương pháp sấy hơi quá nhiệt thường sử dụng gỗ vụn, nhiên liệu hóa thạch
(than, khí đốt) để cấp nhiệt cho nồi hơi, quá trình này sinh ra CO2, khó bụi gây ô
nhiễm môi trường. Do đó, nhu cầu về công nghệ sấy gỗ sử dụng nguồn năng lượng
thân thiện môi trường, giảm chi phí nhiên liệu đang được doanh nghiệp và các
đơn vị nghiên cứu trong nghành gỗ quan tâm.
Gần đây, Trung tâm Phát triển công nghệ cao (Viện Hàn lâm KHCNVN)
đã triển khai thực hiện dự án “Công nghệ sấy thế hệ mới sử dụng năng lượng mặt
trời ứng dụng trong Nông - Lâm nghiệp tại Việt Nam” trong đó có thiết bị sấy thế
hệ mới sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT). Lò sấy sử dụng nguyên lý sấy gián
tiếp, mái che lò sấy đồng thời là bộ phận hấp thụ và chuyển hóa năng lượng bức
xạ mặt trời thành nhiệt năng cung cấp cho buồng sấy. Lò sấy có hệ thống điều
khiển thông minh, cân bằng giữa sấy ban ngày và giữ nhiệt vào ban đêm. Lò sấy
có kết cấu khung nhôm hợp kim, có khả năng di chuyển trên ray trượt dễ dàng.
Tuy nhiên, đây là công nghệ lò sấy mới và chưa từng được triển khai ở Việt Nam.
Việc nghiên cứu, thử nghiệm, đánh giá khả năng hoạt động thực tế của lò sấy sử
dụng NLMT là cần thiết. Đây cũng chính là mục tiêu chính của đề tài luận văn.
Đề tài bao các nội dung nghiên cứu được trình bày trong 03 chương, cụ thể
như sau:
Chương I: Tổng quan về công nghệ sấy sử dụng NLMT trên thế giới cũng
như ở Việt Nam; giới thiệu về ứng dụng công nghệ sấy sử dụng NLMT trong sấy
gỗ. Chương này cũng trình bày chi tiết về kiến trúc, cấu tạo và nguyên lý hoạt
động của lò sấy sử dụng NLMT của dự án “Công nghệ sấy thế hệ mới sử dụng
năng lượng mặt trời ứng dụng trong Nông - Lâm nghiệp tại Việt Nam”, là đối
tượng nghiên cứu của đề tài luận văn.
9
Chương II: Trình bày phạm vi, mục tiêu và nội dung nghiên cứu, các
phương pháp phân tích sử dụng trong luận văn. Các nội dung nghiên cứu bao
gồm:
- Phân tích, giải mã cấu trúc lớp hấp thụ bức xạ năng lượng mặt trời;
- Khảo sát nhiệt độ của lò sấy sử dụng NLMT theo thời tiết: Mùa nắng (hè,
thu) và mùa ít nắng (đông, xuân) tại khu vực Hà Nội (Khu Phát triển công nghệ
Cổ Nhuế);
- Khả năng sấy (xả ẩm) của lò sấy sử dụng NLMT trong sấy gỗ keo xẻ;
- Tính toán hiệu quả giảm phát thải CO2 (so sánh với dùng nhiên liệu than,
điện…).
Chương III: Trình bày các kết quả thực nghiệm và lý giải, đánh giá kết quả
đạt được.
Phần Kết luận của luận văn trình bày những kết quả đã đạt được.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN
Mặt trời là nguồn cung cấp năng lượng cho sự sống trên trái đất. Bức xạ
10
năng lượng mặt trời gây ra các chu kì và hoạt động tự nhiên trên Trái Đất như
mưa, gió, dòng hải lưu, quang hợp và một số hiện tượng khác. Từ xưa đến nay,
con người đã tận dụng nguồn năng lượng tự nhiên sẵn có này trong các hoạt động
hàng ngày. Điển hình như trong lĩnh vực nông lâm nghiệp, phơi sấy là công đoạn
quan trọng trong sơ chế, bảo quản sản phẩm sau thu hoạch. Đặc biệt ở các nước
có khí hậu khắc nghiệt, nóng ẩm mưa nhiều, đây là điều kiện thuận lợi cho vi
khuẩn và nấm mốc phát triển, do đó các sản phẩm nông lâm nghiệp dễ bị hỏng
nếu không được phơi, sơ chế. Vì thế, con người đã tận dụng ánh nắng mặt trời để
phơi khô sản phẩm sau thu hoạch nhằm hạn chế hư hỏng cũng như bảo quản để
sử dụng trong thời gian dài.
Về bản chất, sấy là một quá trình làm bốc hơi nước ra khỏi vật sấy bằng
nhiệt. Nhiệt cung cấp cho vật liệu ẩm bằng cách dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc
bằng năng lượng điện trường có tần số cao. Mục đích của quá trình sấy là làm
giảm khối lượng của vật liệu, tăng độ liên kết bề mặt và bảo quản được tốt hơn.
Trong quá trình sấy, nước được bay hơi ở nhiệt độ bất kì do sự khuếch tán bởi sự
chênh lệch độ ẩm ở bề mặt vật sấy. Đồng thời, bên trong vật sấy có sự chênh lệch
áp suất hơi riêng phần của nước tại bề mặt vật sấy và môi trường xung quanh.
Hiện nay có hai phương pháp sấy sử dụng NLMT đang được áp dụng phổ
biến đó là sấy trực tiếp và sấy gián tiếp.
Sấy trực tiếp là phương pháp mà nguyên liệu sấy hấp thụ trực tiếp năng
lượng bức xạ nhiệt ánh sáng mặt trời để làm bay hơi nước, giảm độ ẩm. Đây là
cách thức sấy truyền thống lâu đời, tuy nhiên nó có nhược điểm là ánh sáng mặt
trời trực tiếp gây ảnh hưởng không tốt đến chất lượng của sản phẩm cần sấy (tia
cực tím trong bức xạ mặ trời gây nứt, cong vênh, giảm chất lượng, thay đổi màu
sắc…), thời gian sấy lâu.
Sấy gián tiếp là phương pháp sử dụng nguồn năng lượng một cách gián tiếp
bằng cách sử dụng vật liệu có hiệu suất hấp thụ bức xạ NLMT cao để chuyển thành
nhiệt làm nóng không khí trong buồng sấy, kích thích quá trình bay hơi nước, giảm
độ ẩm của nguyên liệu sấy. Không khí trong buồng sấy thường được lưu chuyển
thông qua hệ thống quạt thổi làm cho nhiệt độ buồng sấy đồng đều, chất lượng sản
phẩm sấy được tốt hơn. Phương pháp sấy gián tiếp phát triển mạnh từ giai đoạn
nửa sau thế kỷ 20, song hành cùng với cuộc cách mạng về khoa học và công nghệ
vật liệu. Tùy vào công nghệ bộ thu nhiệt, công nghệ điều khiển tuần hoàn gió mà
có nhiều kiểu, loại lò sấy sử dụng năng lượng mặt trời khác nhau.
11
1.1. Công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới
Trên thế giới, hiện có nhiều công ty cung cấp công nghệ lò sấy sử dụng
NLMT công suất lớn đến từ các nước công nghiệp tiên tiến cũng như các nước có
nền nông nghiệp phát triển, ví dụ: Hoa Kỳ, Ấn Độ, Úc, Braxin.
Ekechukwua. O.V và B. Norton [1], 1997 đã chia lò sấy năng lượng mặt
trời nói chung thành hai loại chính, loại có tác động đến tuần hoàn gió trong lò
sấy, active dryer (dùng quạt gió); và loại không tác động đến tuần hoàn gió
(passive dryer). Mỗi loại lò sấy này lại phân thành ba loại theo phương thức hấp
thụ năng lượng mặt trời đó là: loại có tấm hấp thụ là bộ phận không tách rời của
lò sấy (sấy sử dụng hiệu ứng nhà kính); loại có tấm hấp thụ nhiệt là bộ phận ngoài
lò sấy, đối với loại này không khí nóng do hấp thụ hoặc nhận nhiệt sẽ được phân
phối vào lò sấy nhờ quạt hoặc ống khói; loại thứ ba là hỗn hợp của hai loại trên,
vừa hấp thụ năng lượng trực tiếp thông qua mái, thành lò vừa hấp thụ gián tiếp
thông qua bộ phận hấp thụ ngoài lò.
Pallet (1988) đã xây dựng một mô hình sấy bằng năng lượng mặt trời với
buồng sấy làm bằng tấm polyurethane (dày ~ 120 mm). Trong đó buồng sấy có
cấu trúc bằng khung gỗ với dung tích ~ 10 m3 gỗ xẻ, diện tích bề mặt hấp thụ ~
72 m2 với độ dốc mái ~ 10o. Plumptre (1979) đã nghiên cứu sấy gỗ sồi có chiều
dày 50 - 75 mm bằng lò sấy năng lượng mặt trời và chỉ ra rằng mặc dù thời gian
sấy lâu hơn 2,5 lần so với lò sấy hơi nước cưỡng bức nhưng chất lượng gỗ sau khi
sấy tốt hơn nhiều. Gỗ không hoặc rất ít bị nứt bề mặt, nứt đầu và móp méo [2].
Steinman (1989) đã thành công trong việc sấy có kiểm soát sử dụng lò sấy
năng lượng mặt trời. Tác giả công bố rằng chỉ có độ ẩm cân bằng cần được kiểm
soát trong lò sấy năng lượng mặt trời và cần điều chỉnh để đạt được hiệu suất sấy
tối ưu. Trong nghiên cứu, tác giả sử dụng cửa thông gió và hơi nước để kiểm soát
độ ẩm môi trường [3].
Tschernizt và Simpson (1979) đã nghiên cứu sử dụng lò sấy năng lượng
mặt trời để sấy gỗ sồi đỏ, chiều dày 29 mm tại Madison (Mỹ). Từ độ ẩm ban đầu
~ 84%, độ ẩm sau sấy chỉ còn ~ 9% với thời gian sấy 54 ngày (giảm 3,5 lần so
với phương pháp hong phơi tự nhiên nhưng lâu hơn gấp 2 lần so với sấy bằng
phương pháp cưỡng bức) [4].
Vengert E.M (1979) đã nghiên cứu sấy gỗ thông tươi kích thước 102 x 51
mm bằng lò sấy năng lượng mặt trời tại Canada. Độ ẩm của gỗ tươi ban đầu giảm
xuống ~ 10 % sau thời gian sấy 30 ngày vào mùa hè và 140 ngày vào mùa đông.
Khi độ ẩm của gỗ ban đầu là 60% thì cần 12 ngày sấy (vào mùa hè) và 100 ngày
(vào mùa đông) để đạt được gỗ sau sấy với độ ẩm ~ 20%. Trong khi đó, cùng loại
12
gỗ và kích thước ván xẻ, sấy bằng phương pháp hong phơi tự nhiên mất 240 đến
243 ngày và chất lượng gỗ kém hơn rất nhiều [5].
Dave Munkittrick (2009) cho rằng, sấy sử dụng năng lượng mặt trời là cách
đơn giản nhất và an toàn để sấy gỗ tươi; gỗ sấy sẽ ít khuyết tật nứt vỡ, cong vênh
hơn so với các lò sấy thông thường (ví dụ sấy bằng phương pháp cưỡng bức).
Trong thiết kế lò sấy của tác giả, vị trí và hoạt động của cửa thoát khí là rất quan
trọng. Nếu lượng khí ẩm thoát ra quá nhiều đồng nghĩa với việc hơi nóng cũng bị
thất thoát, sẽ dẫn tới nhiệt độ sấy giảm. Việc mở cửa thoát khí chỉ được thực hiện
khi độ ẩm gỗ cao hơn điểm bão hoà của thớ gỗ và lượng mở nhiều hay ít tuỳ theo
đặc điểm an toàn của loại gỗ, từ đó khống chế việc giảm ẩm nhanh hay chậm [6].
Để nâng cao hiệu suất hấp thụ bức xạ năng lượng mặt trời, ngoài việc lựa
chọn vật liệu hấp thụ nhiệt, các nghiên cứu thường tập trung vào hướng và kiểu
cách tạo mái hấp thụ năng lượng. Nếu lò sấy có một mái hấp thụ năng lượng thì
mái sẽ quay mặt về hướng nam để có thể đón được ánh sáng mặt trời cả sáng lẫn
chiều. Ngược lại, nếu lò sấy có hai mái, tuỳ thuộc vào kết cấu hầm sấy, hầm sấy
đơn (1 hầm sấy có 2 mái) thì nóc nhà sấy được đặt theo hướng Bắc - Nam, hầm
sấy đôi (1 lò sấy được ngăn đôi thành 2 hầm, mỗi hầm chứa 1 mái) thì nóc nhà
sấy được đặt theo hướng Đông - Tây để 2 bên hầm sấy đều được hấp thụ nhiệt từ
mặt trời như nhau. Để tăng hiệu suất thu hồi nhiệt từ ánh sáng mặt trời, ở những
nước nằm phía Bắc đường xích đạo như Mỹ, Việt Nam… các lò sấy được thiết
kế thay tường lò sấy phía nam, thậm chí cả tường phía đông và tây bằng tấm hấp
thụ năng lượng mặt trời, ngược lại, những nước phía nam đường xích đạo như
Nam Mỹ, Úc… tường phía Bắc, phía đông và phía tây sẽ được thay bằng tấm hấp
thụ.
Trên thế giới, hiện có nhiều công ty cung cấp lò sấy sử dụng năng lượng
mặt trời công suất lớn đến từ các nước công nghiệp tiên tiến cũng như các nước
có nền nông nghiệp phát triển, ví dụ: Hoa Kỳ, Ấn Độ, Úc, Braxin. Tại Ấn Độ,
Công ty Rudra, Craftwork Solar, Radha…chuyên cung cấp các lò sấy sử dụng
năng lượng mặt trời để sấy rau quả, thực phẩm cũng như sấy gỗ. Hình 1. 1 minh
họa một số nhà sấy sử dụng năng lượng mặt trời ứng dụng rộng rãi ở Ấn Độ [79].
13
Hình 1. 1 Một số nhà sấy sử dụng năng lượng mặt trời tiêu biểu ở Ấn Độ.
(a) Nhà sấy nông lâm sản (Công ty Rudra) [7]; (b) Thiết bị sấy sử dụng ống thu
nhiệt thủy tinh chân không KSD dryer 1000 (Craftwork Solar) [8]; (c) Nhà sấy
KSD dryer SD800 (Công ty Radha) [9]; (d) Lò sấy KSD 100 sử dụng nguyên lý
bộ thu nhiệt làm nóng không khí trước khi đưa vào buồng sấy (Craftwork Solar)
[8].
Đối với hệ thống sấy dùng phương pháp nhà kính (Hình 1.1a, c), ưu điểm
của hệ thống này là khả năng sấy dung tích lớn, ngăn chặn được tia UV tác động
trực tiếp lên sản phẩm cần sấy. Tuy nhiên, phương pháp sấy này sử dụng công
nghệ đơn giản, không có điều khiển tự động hóa. Trong khi đó, lò sấy của
Craftwork Solar sử dụng phương pháp bộ thu nhiệt và dùng nước, không khí làm
tác nhân vận chuyển nhiệt về buồng sấy. Điều này cho phép điều khiển được nhiệt
độ, độ ẩm trong buồng sấy tương đối tối. Tuy nhiên hệ thống có kết cấu cồng
kềnh, vận chuyển phức tạp, dung tích sấy không lớn.
14
Hình 1. 2 Nhà sấy sử dụng năng lượng mặt trời ở Úc. (a) Nhà sấy nông
lâm sản sử dụng bộ thu nhiệt và dùng nước là tác nhân truyền nhiệt vào buồng
sấy [10]; (b) Nhà sấy nông lâm sản sử dụng nguyên lý làm nóng lớp lớp vật
liệu hấp thụ nhiệt và làm nóng không khí trước khi đưa vào buồng sấy [11].
Công ty Solar Dryers Australa Pty Ltd (SDA) [10] cung cấp các hệ thống
sấy sử dụng năng lượng mặt trời. Hệ thống sấy của SDA có các bộ thu nhiệt, dùng
để làm nóng nước trước khi đưa vào buồng sấy. Không khí nóng lưu thông qua
gỗ theo cách tương tự như lò thông thường bằng quạt áp lực. Hệ thống này có thể
tiết kiệm được tới 80% chi phí sấy so với lò sấy thông thường. Kích thước lò sấy
đa dạng, từ 10 m3 đến 100 m3, có thể tùy chỉnh thiết kế phù hợp với yêu cầu của
khách hàng (Hình 1.2a). Nhà sấy nông lâm sản của công ty Solarkilns, sử dụng
phương pháp công nghệ hoàn toàn mới, dùng lớp phủ nhà sấy đa lớp có khả năng
hấp thụ nhiệt và làm nóng không khí bên trong. Không khí nóng được đưa vào
buồng sấy thông qua các quạt gió, bố trí và hoạt động có kiểm soát thông qua bộ
điều khiển trung tâm. Dung tích lò sấy Solarkilns có thể thay đổi theo yêu cầu, tối
đa lên tới 200 m3 sản phẩm cần sấy (Hình 1.2b) [11].
Sử dụng nguyên lý tương tự, Công ty Wood-mizer (Canada) cung cấp nhà
sấy gỗ có dung tích từ 7 m3 trở lên. Tuy nhiên lò sấy này có hạn chế là sử dụng
15
mái phủ lò sấy dạng cứng, cố định. Do đó, không thuận tiện trong khi di chuyển
nhà sấy đến các địa điểm khác nhau (Hình 1.3).
Các nghiên cứu và thực tế cho thấy rằng sấy gỗ bằng năng lượng mặt trời
giảm được thời gian sấy từ 1,5 - 2 lần so với phương pháp hong phơi tự nhiên và
chất lượng gỗ sấy cao hơn.
Hình 1. 3 Thiết bị sấy gỗ sử dụng lớp phủ nhà sấy có khả năng hấp thụ
nhiệt và làm nóng không khí bên trong buồng sấy của Công ty Wood-mizer
[12].
1.2. Công nghệ sấy sử dụng NLMT ở việt nam
1.2.1 Công nghệ sấy sử dụng NLMT ứng dụng trong sấy nông sản
Năm 1996, Viện Cơ điện Nông nghiệp phát triển thiết bị sấy sử dụng năng
lượng mặt trời SD-25 cho các loại rau, củ, trái cây và cá với năng suất 18 kg/mẻ.
Thiết bị bao gồm hai phần chính là buồng sấy lắp nối bằng ống với bộ thu năng
lượng mặt trời. Bộ thu được phủ kính dày 1 - 2 mm, diện tích 2,4 m2. Buồng sấy
có thể tích 1,00 m3, làm bằng kim loại và được cách nhiệt. Thiết bị có thể đối lưu
tự nhiên hoặc đối lưu cưỡng bức bằng một quạt 40 W. Nhiệt độ không khí sấy đạt
35 - 50°C so với nhiệt độ 20 – 35 °C của môi trường [16].
Năm 2000, Viện Cơ điện Nông nghiệp đã nghiên cứu thiết kế và lắp đặt
thiết bị sấy hải sản bằng năng lượng mặt trời năng suất 1 tấn/mẻ tại huyện đảo Cô
Tô, tỉnh Quảng Ninh [16]. Đây là thiết bị sấy đối lưu cưỡng bức kiểu buồng với
bộ thu nhiệt 50 m2. Thiết bị sấy còn có máy phát khí O3, bộ phận điều khiển tự
động làm việc của quạt đảo khí, quạt hút khí và hệ thống ống hồi lưu một phần
16
khí thải. Sản phẩm sau khi sấy có chất lượng tốt hơn phơi nắng và sấy bằng than
củi.
Một nghiên cứu được thực hiện tại trường Đại học Nha Trang đã nghiên
cứu chế tạo và áp dụng máy sấy cá trích xương bằng năng lượng mặt trời [17].
Kết quả của nghiên cứu được báo cáo rằng thiết bị có chi phí thấp nhưng nhiệt độ
đạt được trong buồng sấy thấp và phụ thuộc mạnh vào thời tiết.
Trước đó, Công ty cổ phần Đại Thuận (TP Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa) đã
xây dựng các phòng sấy sử dụng năng lượng mặt trời để sấy khô các sản phẩm
rau quả. Kết quả cho thấy sản phẩm làm ra có chất lượng đảm bảo các chỉ tiêu về
cảm quan, chất lượng và vệ sinh an toàn thực phẩm. Đặc biệt so sánh về chi phí
đầu tư và vận hành với hệ thống sấy sử dụng dầu diesel truyền thống thì hệ thống
sấy sử dụng năng lượng mặt trời hoàn toàn chiếm ưu thế. Giá thành đầu tư và vận
hành giảm rất nhiều, mang lại lợi ích kinh tế là rất lớn [18].
Đề tài chế tạo máy sấy nông sản/lúa bằng năng lượng mặt trời sử dụng ống
nhiệt thủy tinh chân không, công suất 10kW (tổng diện tích thu 10m2) do Bộ Khoa
học và Công nghệ tài trợ cho Công ty TNHH Phát triển Ứng dụng Kỹ nghệ mới
(SAV) thực hiện [19]. Thiết bị sấy hoạt động theo cơ chế đối lưu cưỡng bức, năng
suất sấy khoảng 500 kg thóc/máy mỗi hộ gia đình (từ thóc ướt có độ ẩm khoảng
30 - 33% xuống độ ẩm 13 - 14%) trong một ngày nắng (08 giờ), hiệu suất của bộ
thu năng lượng mặt trời có thể đạt 55 - 65% (Hình 1.4).
Hình 1. 4 Thiết bị sấy sử dụng ống nhiệt thủy tinh chân không làm bộ
thu nhiệt - Công ty TNHH Phát triển Ứng dụng Kỹ nghệ mới (SAV) [19]
Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã chế tạo lò sấy kiểu thùng
quay với diện tích tiếp xúc năng lượng bức xạ ~ 3,5 m2 và bình nước nóng có
dung tích 250 lít để sấy cà phê, năng suất 200 kg/mẻ.
17
Đại học Nông lâm Huế cùng với Đại học Nông nghiệp I đã phát triển thiết
bị sấy kiểu bản phẳng dùng hiệu ứng nhà kính để sấy nông sản.
Nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Đà Nẵng và Cao đẳng Công nghiệp Huế
đã xây dựng thiết bị sấy thóc sử dụng hiệu ứng nhà kính kiểu hội tụ kết hợp kiểu
thùng quay công suất 50 kg/mẻ (độ ẩm sản phẩm sau sấy ~ 13%), thời gian sấy ~
6 giờ.
Đại học Bách khoa Hà Nội đã thử nghiệm hệ thống sấy cao su tại Đồng
Nai kiểu bản phẳng với diện tích hấp thụ năng lượng bức xạ mặt trời ~ 200 m2
[20].
Viện Cơ học thuộc Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam kết
hợp với Viện Trao đổi Nhiệt Chất (Viện Hàn lâm Khoa học Bạch Nga) thực hiện
đề tài nghiên cứu quá trình trao đổi nhiệt chất trong việc sấy và bảo quản các nông
sản nhiệt đới như: sấy thuốc lá, sấy ngô hạt, thoát ẩm cho mật ong, thí nghiệm sấy
cơm dừa, chuối quả, bột dứa. Viện Năng lượng học thuộc Viện Hàn lâm Khoa
học và Công nghệ Việt Nam thực hiện một số đề tài nghiên cứu chế tạo thiết bị
sấy sử dụng công nghệ bơm nhiệt, nghiên cứu quy trình công nghệ sấy nhằm tiết
kiệm năng lượng và giá trị một số sản phẩm nông sản.
Năm 2013, một thiết bị sấy cá bằng năng lượng mặt trời kiểu hộp đã được
các nhà nghiên cứu tại Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh chế tạo [21].
Thiết bị thí nghiệm gồm một bộ thu nhiệt tấm phẳng hai kênh dẫn với dòng khí
đổi ngược chiều (rộng 920 mm), buồng sấy (rộng 1010 mm) và 6 quạt có tổng
công suất 120 W. Cá cơm luộc được đặt trên các khay sấy kích thước 1000 mm x
600 mm, mỗi khay chứa 2 kg cá. Kết quả thử nghiệm cho thấy thời gian sấy bằng
thiết bị này ngắn hơn so với phơi nắng tự nhiên. Hơn nữa, màu sắc và mùi vị của
cá cơm sau sấy cũng rất tốt so với phơi tự nhiên.
Năm 2015, tác giả Nguyễn Xuân Trung và Đinh Vương Hùng công bố
nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời để sấy rau của bằng năng lượng mặt trời
[22]. Nghiên cứu cho thấy thiết bị sấy rau củ bằng năng lượng mặt trời hoàn toàn
có khả năng ứng dụng hiệu quả tại Việt Nam, đặc biệt là với quy mô nhỏ, phù hợp
với các cơ sở sản xuất nhỏ, làng nghề chế biến cá khô.
Hiện nay, có một số sản phẩm thiết bị sấy sử dụng năng lượng mặt trời do
Việt Nam sản xuất. Công ty Cổ phần Công nghệ năng lượng bền vững Việt Nam
(Setech) cung cấp thiết bị sấy quy mô công nghiệp và thiết bị sấy quy mô hộ gia
đình [23]. Về quy trình hoạt động, nhà sấy được đặt ngoài trời, quạt ly tâm sẽ hoạt
18
động liên tục để thổi khí nóng, quạt hút hoạt động liên tục để lưu chuyển không
khí bên trong nhà sấy lấy ẩm ra ngoài. Quạt thổi khí nóng và quạt hút khí ẩm được
điều khiển bằng biến tần dựa theo tín hiệu độ ẩm, nhiệt độ bên trong buồng sấy
hoặc có thể điều khiển bật/tắt bằng tay kết hợp điều khiển lưu lượng gió. Dòng
không khí sấy đối lưu cưỡng bức tiếp xúc với cả trên và dưới của sản phẩm sấy
nên sản phẩm sấy có độ khô đồng đều cả 2 mặt đồng thời nhờ kiểm soát nhiệt ẩm
nên độ ẩm cuối của sản phẩm luôn đồng đều, ổn định và đạt yêu cầu. Ngoài ra,
nhà sấy có thiết bị hỗ trợ nhiệt khi trời không có nắng, tức là khi nhiệt độ trong
buồng sấy không đủ thì thiết bị hỗ trợ nhiệt tự động cung cấp nhiệt cho quá trình
sấy. Bên cạnh đó, chất lượng sản phẩm sau khi sấy bằng thiết bị này đảm bảo có
độ khô, độ đồng đều, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm (Hình 1.5).
Hình 1. 5 Nhà sấy sử dụng hiệu ứng nhà kính có cải tiến - Công ty Cổ
phần Công nghệ năng lượng bền vững Việt Nam [23].
Hình 1. 6 Nhà sấy sử dụng hiệu ứng nhà kính có cải tiến - Dự án Wecare [24]
19
Năm 2017, dự án Wecare giới thiệu nhà sấy nông sản sử dụng năng lượng
mặt trời có kết cấu đơn giản, phù hợp với vùng nông thôn Việt Nam. Công nghệ
sấy này được phát triển bởi GS.TS Serm Janjai, ĐH Silpakorn (Thái Lan). Nhà
sấy sử dụng các tấm lợp loại đặc biệt, trong suốt có khả năng thu nhiệt vào bên
trong nhà sấy, khử tia UV, tạo nguồn nhiệt cao bên trong nhà sấy. Các tấm lợp
Polycarbonate với lớp chống tia UV ngăn ngừa tiếp xúc trực tiếp nông sản, duy
trì màu sắc tự nhiên. Tuy nhiên, nhà sấy không có hệ thống điều khiển điều tiết
nhiệt độ, thời gian sấy lâu [24].
1.2.2 Công nghệ sấy sử dụng NLMT trong sấy gỗ
a. Nhu cầu sấy gỗ ở Việt Nam
Gỗ ở trạng thái tự nhiên, luôn luôn chứa một lượng nước lớn. Khi lượng
nước trong gỗ không được thoát ra ngoài hoặc một nước nhỏ trong gỗ được thoát
ra, người ta vẫn gọi đó là “gỗ tươi” hoặc “gỗ chưa được sấy”. Lượng nước tồn tại
trong gỗ sẽ ảnh hưởng đến tính chất của gỗ, chính vì vậy gỗ phải được sấy vì
nhiều lý do như: Sấy sẽ làm cho gỗ có kích thước ổn định, tăng độ bền của gỗ,
giúp cho quá trình xử lý, bảo quản tốt hơn, dễ dàng hơn. Gỗ sẽ không bị mục nát,
ngăn chặn được sự tấn công của côn trùng hoặc nấm. Quá trình sấy gỗ làm giảm
lượng nước trong gỗ từ đó giúp giảm trọng lượng của gỗ giúp tiết kiệm được chi
phí vận chuyển.
Ngành gỗ được đánh giá là một trong những ngành có tiềm năng lớn và tốc
độ phát triển nhanh. Từ năm 2016, sản lượng gỗ được sản xuất ra vẫn không
ngừng tăng và tăng theo xu hướng bền vững, với tốc độ tăng trưởng đạt từ 3 - 6%
mỗi năm. Trong đó, những loại gỗ được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới là gỗ
tròn, gỗ tấm, gỗ xẻ, sợi gỗ viên, gỗ nén và gỗ nhiên liệu.
Hiện nay, Việt Nam có hơn 1.000 doanh nghiệp hoạt động sản xuất kinh
doanh về lĩnh vực chế biến gỗ. Chỉ riêng ở tỉnh Bình Dương theo thống kê có hơn
500 doanh nghiệp hoạt động sản xuất kinh doanh về lĩnh vực chế biến gỗ, gồm
200 doanh nghiệp có vốn đầu tư nước ngoài và hơn 300 doanh nghiệp đầu tư trong
nước [13-14]. Xét về mức độ phát triển thì châu Á – Thái Bình Dương, Bắc Mỹ
và Đông Âu là những khu vực có ngành công nghiệp gỗ phát triển mạnh mẽ.
Riêng ở thị trường Châu Á, Việt Nam cũng là một trong những tên tuổi lớn trong
trong ngành công nghiệp này. Theo số liệu thống kê từ Tổng cục Hải quan, kim
20
ngạch xuất khẩu gỗ và sản phẩm gỗ của Việt Nam tăng trưởng liên tục trong giai
đoạn năm 2016 – 2020, với tốc độ tăng trưởng bình quân là 15,5%/năm. Kim
ngạch xuất khẩu bình quân trong giai đoạn năm 2016 – 2020, đạt 9,3 tỷ USD/năm.
Theo đánh giá của Trung tâm nghiên cứu Công nghiệp Italia (CSIL), Việt Nam là
một trong những quốc gia năng động nhất về tốc độ tăng trưởng sản xuất và xuất
khẩu đồ nội thất bằng gỗ. Việt Nam hiện đang là thị trường xuất khẩu đồ nội thất
bằng gỗ lớn thứ 2 châu Á và thứ 5 toàn cầu [15].
Trong ngành chế biến gỗ và nông sản, khâu sấy là một trong những khâu
quan trọng nhất, là khâu tiêu tốn năng lượng nhiều nhất và gây ô nhiễm môi trường
không nhỏ thông qua việc sử dụng năng lượng không sạch như hiện nay (củi,
dầu...). Với tốc độ phát triển không ngừng của ngành công nghiệp chế biến gỗ,
hàng chục ngàn lò sấy, nồi hơi công nghiệp được đưa vào sử dụng, mà trong đó
phần lớn là thiết bị sấy gỗ bằng hơi nước và nồi hơi có bồn đốt phụ nhưng hiệu
suất sử dụng năng lượng rất thấp, kém hiệu quả về mặt kinh tế và làm gia tăng
tình trạng ô nhiễm môi trường. Vấn đề này đặt ra những yêu cầu cần thiết và cấp
bách phải có các giải pháp giúp cho các doanh nghiệp tăng năng suất, tiết kiệm
năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong quá trình sử dụng và vận hành
các thiết bị sấy và nồi hơi của cơ sở mình. Sử dụng năng lượng mặt trời trong sấy
gỗ và nông sản là một trong những hướng đi đã được các nhà khoa học Việt Nam
thử nghiệm và đã có các kết quả bước đầu.
b. Lò sấy sử dụng NLMT ứng dụng trong sấy gỗ
Năm 2007, Trong khuôn khổ dự án GIZ (Chính Phủ Đức tài trợ), lâm trường
Mad’rak Ban Mê Thuật đã tiếp nhận thiết bị sấy gỗ sử dụng năng lượng mặt trời,
dung tích 20 m3. Phương thức sấy của hệ thiết bị hoạt động dựa trên hiệu ứng nhà
kính, năng lượng mặt trời làm nóng không khí bên trong buồng sấy. Toàn bộ mái
nhà và tường bao xung quanh được làm từ các tấm nhựa trong suốt gồm hai lớp,
dày từ 6 - 8 mm. Tuy nhiên, hiệu quả hấp thụ năng lượng mặt trời chưa cao (tấm
hấp thụ có diện tích nhỏ và vật liệu có khả năng hấp thụ kém); hiệu quả sử dụng
nhiệt của lò sấy còn nhiều bất cập vì thế thời gian sấy kéo dài, vì thế mặc dù lò có
thể vận hành tốt, nhưng không được sử dụng thường xuyên.
Nhóm nghiên cứu của TS. Hoàng Thị Thanh Hương đã thiết kế lò sấy có
dung tích 10 m3, sử dụng năng lượng mặt trời để hỗ trợ cung cấp năng lượng cho
nồi hơi. Thử nghiệm sấy gỗ cho thấy độ ẩm của ván ~ 10,3 %, tốc độ thoát ẩm
- Xem thêm -