Tài liệu Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kiểu bậc thang

MỞ ĐẦU  TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Sấy là một trong những biện pháp bảo quản và chế biến sản phẩm đã đƣợc sử dụng rất sớm trong lịch sử loài ngƣời. Trong quá trình sấy vật liệu ẩm nói chung và nông sản nói riêng, hiện tƣợng diễn ra phổ biến ở đây chính là hiện tƣợng truyền nhiệt truyền chất liên hợp. Khi nghiên cứu lý thuyết hiện tƣợng truyền nhiệt truyền chất liên hợp, các tác giả thƣờng dựa vào việc giải hệ phƣơng trình vi phân truyền nhiệt truyền chất ứng với các điều kiện đơn trị khác nhau. Trong nhiều năm, ngƣời ta đã cố gắng để làm sao cho mô hình toán học đó phản ánh đƣợc nhiều nhất các yếu tố tác động đến hiện tƣợng. Mặc dù các công cụ tính toán đã rất phát triển nhƣng khi áp dụng hay ứng dụng cụ thể còn có nhiều mặt hạn chế, đặc biệt là sự nghiên cứu ảnh hƣởng của các hiện tƣợng qua lại lẫn nhau còn ít và chƣa đầy đủ hoặc đã bỏ qua một số ảnh hƣởng quan trọng mà trong thực tế vẫn diễn ra. Sự ảnh hƣởng của trƣờng độ ẩm đến trƣờng nhiệt độ trong vật liệu sấy là rất rõ, nhất là khi kể đến ảnh hƣởng của hiện tƣợng co ngót vật liệu trong quá trình sấy. Bên cạnh đó, việc nghiên cứu ứng dụng những hệ thống thiết bị sấy hiện đại vào điều kiện ở nƣớc ta là một trong những đòi hỏi cấp bách do đặc thù Việt nam là một nƣớc có nền nông nghiệp phát triển, các sản phẩm nông sản sau thu hoạch do không đƣợc xử lý kịp thời đã dẫn đến sự hao hụt và làm giảm chất lƣợng sản phẩm. Bơm nhiệt là một trong những thiết bị có khả năng tiết kiệm năng lƣợng cao và đã đƣợc chứng minh bằng lý thuyết cũng nhƣ trong thực tế kỹ thuật. Khi sử dụng bơm nhiệt thay cho hệ thống sấy thông thƣờng, nó đã mang lại hiệu quả to lớn mà các công trình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc đã tổng kết. Tuy nhiên, bên cạnh những kết quả đã đạt đƣợc trong kỹ thuật sấy thì việc sử dụng bơm nhiệt trong hệ thống sấy vẫn còn có những vẫn đề tồn tại và phải giải quyết. Hệ thống sấy bằng bơm nhiệt là hệ thống sấy ở nhiệt độ vừa phải, vì vậy thời gian sấy sẽ lớn hơn so với các hệ thống sấy thông thƣờng và do đó việc tiêu hao năng lƣợng luôn là vấn đề cần quan tâm và cải thiện, nhất là trong bối cảnh năng lƣợng đang ngày càng cạn kiệt mà nhu cầu lại ngày càng tăng trên thế giới cũng nhƣ ở Việt Nam. Mặt khác, theo động học quá trình sấy, lƣợng ẩm tách ra khỏi vật liệu sấy sẽ thay đổi theo thời gian và giảm dần ở cuối quá trình, tƣơng ứng với nó thì nhiệt năng cần cung cấp cho vật liệu sấy cũng giảm dần trong khi hệ thống hoạt động liên tục cũng là vấn đề làm cho lãng phí năng lƣợng. Vì vậy, việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lƣợng của hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt và vận hành hợp lý hệ thống sấy nhằm đảm bảo phù hợp với động học quá trình sấy là rất cần thiết và luôn là vấn đề thời sự nhất là ở trong hoàn cảnh nƣớc ta. Với những yêu cầu cấp bách đặt ra nhƣ vậy, việc lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kiểu bậc thang” là thực sự cấp thiết và phù hợp trong giai đoạn hiện nay ở Việt nam.  MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU Nghiên cứu của chúng tôi nhằm đạt đƣợc 03 mục đích cụ thể sau: - Nghiên cứu hiện tƣợng trao đổi nhiệt trao đổi chất trong quá trình sấy bằng hệ thống sấy dùng bơm nhiệt kiểu bậc thang có xét ảnh hƣởng của độ ẩm đến trƣờng nhiệt độ và ảnh hƣởng của sự co ngót vật liệu trong quá trình sấy . - Hiệu chỉnh phƣơng pháp xác định thời gian sấy theo sự co ngót của vật liệu để tăng khả năng ứng dụng và độ chính xác cho phƣơng pháp để phù hợp với hiện tƣợng trong thực tế. - Đánh giá khả năng tiết kiệm năng lƣợng của hệ thống sấy bơm nhiệt kiểu bậc thang.  ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tƣợng nghiên cứu ở đây là quá trình truyền nhiệt truyền chất ứng với các điều kiện sấy trong hệ thống sấy dùng bơm nhiệt và vật liệu sử dụng đại diện cho kết quả nghiên cứu là cà rốt đƣợc trồng ở miền Bắc Việt Nam.  PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc lựa chọn trong luận án là phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm. CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỂ SẤY BƠM NHIỆT VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT 1.1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ SẤY 1.1.1. Các phƣơng pháp sấy cơ bản Quá trình sấy (QTS) là quá trình nhằm tạo ra dòng dịch chuyển ẩm (dạng lỏng hoặc dạng hơi) từ trong lòng vật liệu sấy (VLS) đến môi trƣờng tác nhân sấy (TNS) dƣới tác dụng của dòng năng lƣợng. Căn cứ vào việc cung cấp năng lƣợng cho VLS mà ngƣời ta có thể chia ra các phƣơng pháp sấy khác nhau [12]: - Phƣơng pháp sấy nóng: Trong phƣơng pháp sấy (PPS) nóng, VLS đƣợc đốt nóng nhờ TNS (sấy đối lƣu) hoặc trƣờng năng lƣợng (sấy bức xạ, điện từ…). Cũng nhờ sự đốt nóng VLS nên mật độ hơi chứa trong các mao quản của VLS tăng làm cho phân áp suất hơi nƣớc tại bề mặt VLS cũng tăng lên. Điều đó dẫn đến sự chênh lệch phân áp suất của hơi ẩm trong TNS và bề mặt VLS hay thế dẫn ẩm tăng lên và dòng dịch chuyển ẩm cũng tăng lên theo. Nhờ vào nguyên tắc này mà ngƣời ta chế tạo ra các hệ thống sấy (HTS) hoặc là đốt nóng riêng VLS (HTS bức xạ, HTS dùng dòng điện cao tần, HTS tiếp xúc) hoặc là đốt nóng cả VLS và TNS (HTS đối lƣu). - Phƣơng pháp sấy lạnh: Trong PPS lạnh, ngƣời ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nƣớc giữa TNS và VLS bằng cách giảm phân áp suất trong TNS nhờ giảm độ chứa ẩm d. Nhƣ vậy, dòng ẩm có thể dịch chuyển vào TNS ở nhiệt độ lớn hơn 0oC hoặc dƣới 0oC. Dựa trên nguyên tắc của PPS lạnh, ngƣời ta đã xây dựng HTS sử dụng bơm nhiệt (HTS BN). Nguyên lý hoạt động của HTS BN [8], [9], [10], [29], [31], [33]...là sử dụng dàn bay hơi làm giảm nhiệt độ của TNS xuống dƣới nhiệt độ đọng sƣơng của hơi nƣớc và từ đó ẩm đƣợc tách ra khỏi TNS. Sau khi ra khỏi dàn bay hơi, TNS có nhiệt độ thấp và độ chứa hơi d đã giảm xuống nhƣng độ ẩm tƣơng đối  rất cao (  100%). Lúc này TNS tiếp tục đi qua dàn ngƣng tụ để làm tăng thế sấy trƣớc khi vào thiết bị sấy (TBS), khi đó TNS có nhiệt độ cao, độ ẩm thấp và phân áp suất thấp. Một trong những ƣu điểm của HTS BN là khả năng tiết kiệm năng lƣợng, điều này đã đƣợc nhiều tác giả công nhận và đánh giá cao chẳng hạn nhƣ trong [7], [8], [20], [26], [28], [29], [30], [32], [51], [57]… Các tác giả đã đánh giá việc sử dụng HTS BN là một trong những chìa khóa cho vấn đề tiết kiệm năng lƣợng. 1.1.2. Hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt *Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy dùng bơm nhiệt HTS BN sử dụng máy nén hơi đƣợc dùng khá phổ biến và nguyên lý hoạt động của hệ thống này vẫn dựa trên nguyên tắc của chu trình máy lạnh nén hơi thông thƣờng. Môi chất lỏng sau khi đƣợc tiết lƣu tại van tiết lƣu (TL) sẽ đi vào dàn bay hơi (BH) và nhận nhiệt của TNS để biến thành pha hơi trƣớc khi đi vào máy nén (MN) và đƣợc nén lên áp suất cao. Hơi cao áp đƣợc đƣa vào dàn ngƣng tụ (NT) và nhờ nhả nhiệt cho TNS hơi cao áp sẽ biến thành pha lỏng. Lỏng đƣợc tiết lƣu lại vào dàn BH để khép kín chu trình lạnh. Khi TNS đi qua dàn BH, nó đƣợc làm lạnh xuống dƣới nhiệt độ đọng sƣơng và hơi ẩm trong TNS đƣợc ngƣng lại trên bề mặt của dàn BH, tại đây TNS đƣợc sẽ tách ẩm. Sau đó, TNS đi tiếp qua dàn NT để tăng nhiệt độ và giảm độ ẩm tƣơng đối đến giá trị yêu cầu trƣớc khi vào TBS. Do sử dụng cả năng suất lạnh của dàn BH và năng suất nhiệt của dàn NT nên hiệu quả của về mặt năng lƣợng của HTS BN rất rõ rệt. Sơ đồ nguyên lý của HTS BN và quá trình biến đổi trạng thái của TNS trên đồ thị i-d đƣợc trình bày trên hình 1.1 i (kJ/kg) NT A tA tB TL MN B s TBS tC =100% C BH d (kg/kg) Hình 1.1. Sơ đồ nguyên lý của HTS dùng bơm nhiệt Quá trình sấy trong HTS BN đƣợc biểu diễn trên đồ thị i-d nhƣ sau: Đầu tiên không khí ở điểm B sau TBS đƣợc cho đi qua dàn BH và làm lạnh xuống nhiệt độ dƣới nhiệt độ điểm sƣơng, một phần không khí do không tiếp xúc với bề mặt dàn BH (bypass) nên chƣa đƣợc làm lạnh xuống nhiệt độ điểm sƣơng và chúng hòa trộn cùng không khí đã đƣợc làm lạnh và khử ẩm ở dàn BH tạo thành không khí có trạng thái ở điểm C (độ chứa hơi giảm, nhiệt độ giảm và độ ẩm   100%). Quá trình làm lạnh và khử ẩm không khí BC thực tế diễn ra trên đồ thị i-d có dạng đƣờng cong lõm nhƣng do cùng đi qua điểm B và C nên độ chênh i không đổi.Vì vậy, ở đây chúng ta có thể bỏ qua hình dáng của đƣờng biến đổi này. Khi đi qua dàn NT, dòng khí đƣợc tăng nhiệt độ và giảm độ ẩm tƣơng đối đến điểm A trƣớc khi đi vào TBS thực hiện quá trình sấy AB. Hiệu suất nhiệt của chu trình lạnh thƣờng đƣợc đánh giá thông qua hệ số COP [9], [51], [73], [82]… và hiệu suất lớn nhất của nó đƣợc đánh giá bằng hiệu suất nhiệt của chu trình Carnot. Tuy nhiên, đối với việc ứng dụng bơm nhiệt trong HTS thì việc đánh giá hiệu quả của hệ thống thƣờng đƣợc biết đến với hệ số SMER (Specific Moisture Extraction Rate, kg/kWh), hệ số này là tỷ số giữa lƣợng ẩm tách đƣợc trên một đơn vị điện năng tiêu thụ SMER  G a Lƣợng ẩm tách đƣợc = N Điện năng tiêu thụ , kg/kWh (1.1) Hệ số SMER này phụ thuộc vào nhiệt độ TNS, độ ẩm tƣơng đối của TNS, lƣợng bypass của TNS [9], [52], [65], [73]… 1.1.3. Tiết kiệm năng lƣợng với HTS BN Năng lƣợng và vấn đề sử dụng tiết kiệm năng lƣợng luôn là vấn đề đƣợc đặt ra hàng đầu trong sự phát triển của mỗi quốc gia, nhất là trong tình trạng tiêu thụ năng lƣợng ngày càng cao nhƣ hiện nay. Theo Kudra và Mujumdar [65], năng lƣợng cho công nghiệp sấy vật liệu chiếm khoảng 10-20% tổng năng lƣợng dùng trong các ngành công nghiệp ở các nƣớc đang phát triển. Do đó nghiên cứu để sử dụng một cách hiệu quả năng lƣợng trong lĩnh vực này là rất cần thiết. Bơm nhiệt theo [7], [32], [51], [52]… đánh giá là một trong những thiết bị có ƣu điểm lớn trong việc sử dụng và mở rộng khả năng tiết kiệm năng lƣợng. Trong [73] tác giả đã liệt kê 4 ƣu điểm của HTS BN nhƣ sau: - Mức tiêu thụ năng lƣợng đƣợc cải thiện do đã tận dụng đƣợc năng suất nhiệt ở NT và năng suất lạnh từ BH để tách ẩm. - Dải nhiệt độ sấy có thể thực hiện đƣợc trong khoảng -20 ÷ 100oC (sử dụng thêm bộ gia nhiệt), phạm vi độ ẩm tƣơng đối của TNS từ 15 ÷ 80% - Chất lƣợng của VLS đƣợc cải thiện, tính chất hóa lý của VLS ít bị thay đổi (mùi vị, màu sắc, hàm lƣợng vitamin…) - Rất phù hợp cho các VLS có giá trị cao, tiêu tốn điện năng ít và giảm đƣợc giá thành sản phẩm Mặt khác, trong [73] tác giả cũng trình bày một số hạn chế của HTS BN là: - Trong trƣờng hợp cần nâng nhiệt độ TNS lên cao thì cần phải có bộ gia nhiệt bổ sung do hạn chế của môi chất lạnh - Chi phí đầu tƣ ban đầu lớn - Cần một khoảng thời gian để hệ thống đạt đến trạng thái làm việc ổn định - Đòi hỏi bảo trì, bảo dƣỡng hệ thống thƣờng xuyên. 1.2. TỔNG QUAN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU HTS BN 1.2.1. Tổng quan các kết quả nghiên cứu trên thế giới Từ những năm đầu của thập kỷ 80, vấn đề chi phí năng lƣợng tăng cao đã thúc đẩy các nghiên cứu tập trung vào việc sử dụng hiệu quả năng lƣợng. Trong lĩnh vực kỹ thuật sấy nông sản, việc sử dụng các HTS có khả năng tiết kiệm năng lƣợng đã đƣợc nghiên cứu và đƣa vào ứng dụng thực tế. Theo tác giả Mujumdar [73], năng lƣợng dùng cho ngành sấy chiếm đến gần 60% trong công nghiệp chế biến các sản phẩm nông sản. Tác giả Strommen và cộng sự [90] cho biết HTS BN có thể giảm đƣợc khoảng 60-80% năng lƣợng so với các HTS truyền thống khác khi cùng hoạt động ở một dải nhiệt độ. Theo thống kê, từ năm 1988 đã có khoảng 7% trong tổng số thiết bị bơm nhiệt đƣợc ứng dụng vào kỹ thuật sấy, những HTS BN này có công suất lên đến 60 MW. Năm 2006 Soylemez [88] đã trình bày nghiên cứu tính toán các điều kiện tối ƣu về nhiệt độ làm việc và kích thƣớc HTS BN nhằm giảm thiểu các chi phí ứng với tuổi thọ của HTS BN. Tính đến 2009, số lƣợng các nghiên cứu về HTS BN đƣợc Colak và Hepbasli [51] tổng kết nhƣ trên hình 1.2 Hình 1.2. Biểu đồ số lượng các nghiên cứu HTS BN từ 1975-2008 [51] Oliver [74] năm 1982 cho biết rằng SMER của HTS BN là 0,57 kg/kWh ở nhiệt độ sấy 50oC và hệ số này sẽ tăng lên đến 1,02 kg/kWh khi nhiệt độ sấy là 80oC. Sự gia tăng của SMER theo nhiệt độ cũng đƣợc Strommen và Kramer công bố trong công trình nghiên cứu [90] năm 1994 và đƣợc Kudra và Mujumdar trình bày lại trong [65]. Theo đó, nếu so sánh với các loại HTS truyền thống thì SMER của HTS BN có thế lớn hơn gấp 10 lần. Dựa trên tiêu chi đánh giá về chi phi năng lƣợng cho một HTS BN Soponronnarit [87] năm 1998 đã cho thấy mất 2,76 kWh cho 1 kg ẩm bay hơi và tổng chi phí khoảng 0,38 USD, trong đó 0,16 USD chi cho năng lƣợng, 0,04 USD cho vận hành và còn lại 0,18 USD là chi phí cố định. Achariyaviriya và cộng sự [40] đã xây dựng một mô hình toán học nhằm phân tích các ƣu điểm trên HTS BN hoạt động ở điều kiện TNS tuần hoàn kín, tuần hoàn một phần hay TNS không tuần hoàn. Cuối cùng tác giả đi đến kết luận rằng hệ số hiệu quả COP sẽ giảm dần khi lƣợng bypass tăng dần ở tất cả các điều kiện tuần hoàn của TNS trong HTS BN. Theo Chou S.K và đồng sự trong [52] và [73], HTS BN có hiệu quả rất lớn trong tiết kiệm năng lƣợng nhất là khi tận dụng các nguồn nhiệt thải khác nhau. Trong hầu hết các PPS sử dụng trong HTS BN thì PPS cấp nhiệt đối lƣu là ứng dụng rộng rãi nhất, trong đó có thể kết hợp sử dụng phƣơng pháp sấy lớp sôi hay kiểu rô to…Khi so sánh khả năng tiết kiệm năng lƣợng với các HTS khác thông qua lƣợng tách ẩm riêng SMER, Chou S.K và Chua K.J đã làm rõ đƣợc tính hiệu quả của HTS BN. Kết quả so sánh SMER của HTS BN và các HTS khác đƣợc cho trong bảng 1.1. Bảng 1.1 So sánh hiệu quả của HTS BN với các HTS khác [73] Sấy Sấy Sấy không khí nóng chân không bơm nhiệt SMER, kg/kWh 0,12-1,28 0,72-1,2 1,0-4,0 Hiệu suất sấy, % 35-40 70 95 Nhiệt độ TNS, oC 40-90 30-60 10-65 thay đổi thấp 10-65 Thông số Độ ẩm tƣơng đối TNS, % Từ bảng 1.1 cho thấy rằng đối với HTS BN thì hệ số SMER rất cao từ 1,0-4,0 trong khi các hệ thống còn lại cho SMER thấp hơn rất nhiều. Hơn nữa, nhiệt độ của TNS có thể thấp hơn nhiệt độ môi trƣờng, điều này đặc biệt có lợi đối với các VLS đòi hỏi nghiêm ngặt về chế độ nhiệt để tránh hiện tƣợng phân hủy các chất dinh dƣỡng, vitamin… có trong VLS. U.S. Pal và M.K. Khan [76] năm 2010 đã nghiên cứu sử dụng HTS BN cho hạt tiêu ở nhiệt độ TNS 30÷41oC, độ ẩm TNS < 40%, theo báo cáo hệ số SMER từ hệ thống nằm trong khoảng 0,55 ÷ 1,1 kg/kWh. Lƣợng tiêu thụ điện của HTS BN cũng nhỏ hơn so với HTS nóng từ 1,17 ÷ 4,55 kWh Fatouh [56] đã nghiên cứu và tổng kểt rằng đối với các loại lá thảo dƣợc, kích cỡ lá càng nhỏ thì càng cần ít năng lƣợng và thời gian sấy càng ngắn nếu sử dụng HTS BN. Minea trong [71] đã đƣa ra một số tổng hợp về HTS BN trên thế giới nhƣ sau: + HTS BN sử dụng dàn ngƣng phụ [41], [42] để giải bớt nhiệt ra ngoài đối với HTS BN sấy theo mẻ. Theo động học QTS thì trong HTS BN sấy theo mẻ, nhu cầu cấp nhiệt cho VLS sẽ giảm dần nhƣng do MN vẫn hoạt động ở 100% tải nên phải thải bớt lƣợng nhiệt thừa ra môi trƣờng và lƣợng nhiệt này có thể chiếm đến khoảng 15-20% tổng lƣợng nhiệt cấp cho hệ thống [41], [42]. Việc thải lƣợng nhiệt thừa này là vấn đề còn chƣa đƣợc quan tâm triệt để, và cần phải làm rõ thêm, nhất là trong trƣờng hợp có thể dựa vào động học QTS để nghiên cứu tiếp. + Ở HTS BN, một trong những cách điều chỉnh để đảm bảo điều kiện tách ẩm ổn định của hệ thống là dùng biện pháp cho dòng TNS đi tắt (bypass) qua dàn BH [54]. Theo đó, tác giả cũng cho biết quan hệ giữa tốc độ của TNS và lƣợng ẩm tách ra khi qua dàn BH tỷ lệ nghịch với nhau. + Một hƣớng đi khác để nghiên cứu khả năng tách ẩm của HTS BN là PPS gián đoạn, Chua K.J. [53] đã công bố kết quả nghiên cứu dựa trên PPS gián đoạn và cho thấy có thể giảm đƣợc đến 61% thời gian sấy (TGS) khi sử dụng PPS gián đoạn đối với khoai tây khi so sánh với trƣờng hợp sấy liên tục. + Ong và Law [75] năm 2009 đã cho thấy trong hầu hết các trƣờng hợp đều có khả năng giảm TGS và chất lƣợng sản phẩm sấy đều đƣợc cải thiện khi sử dụng PPS gián đoạn đối với các loại rau, quả. Trong tài liệu này các tác giả cũng nói rõ nếu sử dụng PPS gián đoạn thì khả năng tiết kiệm năng lƣợng cũng đƣợc cải thiện do có thể giảm đƣợc TGS và không bị tổn thất năng lƣợng (thải nhiệt ra ngoài) khi máy ngừng hoạt động. + Theo Minea [72], HTS BN có thể thiết kế để sấy theo mẻ và khi TNS tuần hoàn kín thì tổn thất nhiệt do rò lọt là không đáng kể. Tuy nhiên, do lƣợng nhiệt VLS hấp thụ giảm dần nên phải có dàn ngƣng phụ (NP) để giải nhiệt thừa ra ngoài. Mặt khác, cũng có thể thiết kế HTS BN hoạt động liên tục kiểu băng chuyền và đối với thiết kế này cũng hứa hẹn nhiều kết quả tốt đặc biệt là đối với các sản phẩm sau thu hoạch. + Chua K.J. [55] đã đề xuất phƣơng án sử dụng HTS BN có nhiều dàn bay hơi mắc nối tiếp (multi-stage series evaporator) với 1 MN. Đây là sự phát triển của một kết quả nghiên cứu trƣớc đây của Perry năm 1981 [77]. Nhƣợc điểm của HTS BN này là do mắc nối tiếp nên tổn thất áp suất của dòng TNS khi qua các dàn BH này sẽ làm cho sự điều khiển quá trình khử ẩm phức tạp hơn so với trƣờng hợp chỉ có một dàn BH. Tuy nhiên, cũng có thể sử dụng 2 dàn BH này cho 2 TBS độc lập nhau và cũng có thể sử dụng để sấy 2 loại VLS khác nhau vì chúng có thể tạo ra TNS có nhiệt độ và độ ẩm khác nhau nhƣ [53], [54], [55] đã ứng dụng khi sấy nông sản. Trong một số ngành công nghiệp, ngƣời ta đã sử dụng phƣơng pháp này [77], [53], [54], [55] và gần đây 2011 Minea [71] đã chỉ ra rằng với HTS BN mắc dàn BH song song rất phù hợp cho các HTS có yêu cầu nhiệt độ và độ ẩm khác nhau của TNS (mỗi TBS độc lập sẽ có một nhiệt độ và độ ẩm của TNS khác nhau). + Một cách tiếp cận khác là nghiên cứu HTS BN với 2 chu trình lạnh độc lập hoạt động cùng với một dòng TNS đã đƣợc Lee năm 2008 [66] giới thiệu. Hệ thống này sử dụng 2 chu trình lạnh với hai loại môi chất khác nhau đó là R134a và R124. TNS sẽ đi qua lần lần lƣợt từ dàn BH của chu trình R124 đến dàn BH của chu trình R134a nhƣng lại đi đến dàn NT của chu trình R134a trƣớc khi đi đến dàn NT của chu trình R124 và cuối cùng đi vào TBS. Đối với chu trình sử dụng R134a, khi TNS đã đƣợc giảm nhiệt độ qua dàn lạnh dùng R124 thì khi đến dàn lạnh dùng R134a, môi chất lạnh phải bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn dẫn đến hệ số COP của chu trình dùng R134a bị giảm đi. Cùng lúc đó thì nhiệt độ TNS vào dàn NT của chu trình R124 sẽ tăng lên và cũng làm cho nhiệt độ ngƣng tụ của R124 tăng lên tức là COP của chu trình này cũng bị giảm. + Trong [37], các tác giả đã giới thiệu HTS BN sấy liên tục các sản phẩm nhƣ sâm, các loại rau thơm…Giá trị SMER theo báo cáo nằm trong khoảng từ 0,06 đến 0,61 kgâ/kWh. Lƣợng điện tiêu tốn khoảng 190kW, TGS mất khoảng 5 ngày để giảm độ ẩm tƣơng đối của củ sâm xuống dƣới 10%. Trong khi đó, với HTS sử dụng điện trở gia nhiệt thì thời gian mất 14 ngày và điện tiêu thụ khoảng 244kW. Nhƣ vậy, năng lƣợng tiết kiệm đƣợc 23% và TGS giảm đi 64%. Kết quả nghiên cứu HTS BN của một số năm gần đây đƣợc trình bày trong bảng 1.2. Bảng 1.2. Tổng hợp các nghiên cứu về HTS BN trên thế giới [51],[76],[78],[94] Tác giả VLS Độ ẩm tƣơng đối VLS đầu/cuối w0/wend , % vận tốc TNS Độ ẩm a, m/s Nhiệt độ ta, oC a, % Rossi và cộng sự (1992) Rau, thực phẩm 82/12 1,8 35;45;55 - Birchall (1994) Khoai tây, gừng 80/10 1,3-3 55 - Van Blarcom và Mason (1998) Macadamia 20/1,5 - 50 10 Payne (1994) Xoài 85/16 1,5 35;45;55 - Strommen và Kramer (1994) Cá - 0-3 -20÷50 20÷90 Gừng - 0,25÷1 35;45;55 - Táo 95/34 - Chuối - 2,5 30;35 20÷43 Khoai tây 4,2/1 1,6 25;30;40 32÷44 Chuối 85/20 3,1 50 - Tôm 40/20 0.91 50 - Hạt tiêu đỏ 21,7/7,5 1,5÷2,5 -3;-5;-10 - Hồng xiêm 43/0,05 1 40 15 Hạt tiêu /1,5 1,5 35;41 43 Lá chanh 95/22 0,4 40;50;60 - Táo - - 40 10 Wood (1994) Alves-Filho và cộng sự (1998) Chua và cộng sự (2001) Ho và đồng sự (2001) Dandamrongrak và đồng sự (2003) Namsanguan và đồng sự (2004) Alves-Filho và cộng sự (2007) Jangam và cộng sự (2008) U.S. Pal và M.K. Khan (2010) N. Poomsa-ad, và L. Wiset (2011) G. Sivanovits, và Cộng sự (2012) - - Ngoài ra còn một số phƣơng pháp kết hợp sử dụng bơm nhiệt với năng lƣợng mặt trời, bơm nhiệt với vi sóng, hồng ngoại, địa nhiệt [52], [54], [65]…. Các công trình nghiên cứu trên đây chủ yếu tập trung vào việc ứng dụng và nâng cao khả năng làm việc của HTS BN mà trong đó các tác giả cũng chƣa đƣa ra đƣợc một quy trình hợp lý khi vận hành hệ thống của mình. Hầu hết chỉ tập trung đến việc xác định các điều kiện làm việc phù hợp hoặc là công bố sự so sánh về chất lƣợng giữa các HTS với nhau. Đối với HTS BN nếu hoạt động để tạo ra TNS có nhiệt độ thấp thì rất có lợi đối với những nhóm VLS không chịu đƣợc nhiệt độ cao nhƣng chi phí vẫn cao hơn so với việc sử dụng HTS khác. Tuy nhiên, nếu yêu cầu TNS có nhiệt độ cao thì HTS BN có chi phí giảm hơn rất nhiều so với các HTS khác. 1.2.2. Kết quả nghiên cứu về sử dụng HTS BN ở Việt Nam Ở Việt Nam, một trong những HTS BN đƣợc chế tạo lần đầu tiên phải kể đến là HTS BN do tác giả Nguyễn Đức Lợi và Phạm Văn Tùy đề xuất khi sấy kẹo Jelly cho Công ty bánh kẹo Hải Hà [8], theo đó, TNS cần duy trì ở nhiệt độ 20oC đến 25oC, độ ẩm 18% đến 22%. Trong tài liệu [28] Phạm Văn Tùy cùng cộng sự đã công bố hiệu quả của HTS BN ở Công ty bánh kẹo Hải Hà, với công suất 1100 kg/ngày, khả năng tiết kiệm năng lƣợng của HTS này khi tách ẩm lên tới khoảng 58% (từ 11,49 kWh/kg xuống còn 4,67 kWh/kg). Đầu năm 1998, cũng chính nhóm tác giả này đã tiến hành lắp đặt HTS BN thứ 2 ở đây với công suất 1400 kg/ngày. Tiếp tục năm 1999 một hệ thống máy hút ẩm hỗ trợ cho dây chuyền chế biến và hút ẩm của CHLB Đức cải tạo từ máy điều hòa không khí cũ cho phân xƣởng kẹo caramen và một hệ thống BN hút ẩm 16.000 BTU/h cho xƣởng kẹo cứng cơ sở Hà Nội, Công ty Bánh kẹo Hải Hà cũng đã đƣợc lắp đặt thành công. Phạm Văn Tùy cùng các cộng sự trong [30] đã ứng dụng HTS BN để sấy các loại nông sản nhƣ cà rốt, hành tây, củ cải, thì là. Các sản phẩm sấy này đã đƣợc Viện Khoa học công nghệ Thực phẩm Bộ Công nghiệp đánh giá theo các chỉ tiêu chất lƣợng và công nghệ, đồng thời đánh giá so sánh với phƣơng pháp sấy nóng truyền thống và phƣơng pháp sấy bằng tia hồng ngoại do Viện thực hiện trên cùng loại mẫu sấy ban đầu. Chỉ tiêu đánh giá của các PPS đƣợc giới thiệu trong bảng 1.3. Bảng 1.3. So sánh chất lượng sản phẩm sấy bằng bơm nhiệt với phương pháp sấy nóng truyền thống và sấy hồng ngoại [30] Nguyên liệu Cà rốt Củ cải Hành Thì là PPS KK nóng hồng ngoại Điểm c.lƣợng Nhận xét Khả năng Độ ẩm cảm quan chất lƣợng bảo tồn cuối TGS vitamin C h cảm quan % Màu sắc T.thái Mùi vị % (x1.5) (x1) (x1.5) Điểm các chỉ tiêu cảm quan 4.3 4 - 16.6 4.7 4.7 - 16.6 bơm nhiệt 5 4 - 20 KK nóng 4 4 - 16 Hồng ngoại 4 4.3 - 16 Bơm nhiệt 4.3 4 - 19.4 KK nóng 4 4.3 3.7 16.9 Hồng ngoại 4.3 4.7 4 17.2 bơm nhiệt 4.7 4.3 4.3 17.8 KK nóng 4 4 3.7 15.6 Hồng ngoại 4.3 4 4 16.5 Bơm nhiệt 4.7 4 4.3 17.2 Đỏ tối, kém thẳng Đỏ, Bóng, kém thẳng Đỏ tự nhiên, bóng thẳng Vàng ngà, kém xốp Trắng ngà hơi đậm, khá xốp Trắng ngà thẳng xốp Xanh tối, khá xốp, kém tƣơi Xanh thẫm, xốp, thơm Xanh tự nhiên, xốp thơm Xanh tối, xốp, kém thơm Xanh tối, xốp, kém thơm Xanh tự nhiên, thơm mạnh - 5.7 7 - 5.6 5 - 6.6 9 28 5.3 6 40 5.3 5 64 6.1 9 32 5 6 54 5.2 6 72 6.2 8 27 6 6 48 5.9 6 63 6.9 10 Từ bảng 1.3 dễ dàng thấy rằng tuy TGS bằng bơm nhiệt dài hơn so với phƣơng pháp sấy truyền thống và phƣơng pháp sấy hồng ngoại hiện đại nhƣng các chỉ tiêu chất lƣợng và chỉ tiêu cảm quan đối với tất cả các vật liệu sấy vẫn cao hơn, đây cũng là ƣu điểm cơ bản của PPS bằng bơm nhiệt. Ví dụ nhƣ sản phẩm sấy bằng bơm nhiệt vƣợt trội hơn hẳn các phƣơng pháp khác về chất lƣợng cảm quan và có khả năng giữ vitamin C tốt hơn. Điều này cũng đồng nghĩa với chất lƣợng dinh dƣỡng của sản phẩm sấy đạt chất lƣợng, màu sắc và hƣơng vị tự nhiên đƣợc tốt hơn… Phạm Văn Tùy cùng các đồng sự năm 2007 [33] đã tiếp tục nghiên cứu và ứng dụng công nghệ sấy sử dụng bơm nhiệt cho các loại nông sản và cải tiến chế tạo các kiểu HTS dùng bơm nhiệt BK-BSH18A, BK-BSH18B và BK-BSH 1.4. Trong kết luận của báo cáo này, các tác giả đã chỉ ra rằng khả năng ứng dụng rộng rãi của HTS sử dụng bơm nhiệt ở điều kiện khí hậu nóng ẩm nhƣ Việt Nam và bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những sản phẩm cần giữ trạng thái, màu, mùi, chất dinh dƣỡng và không cho phép sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ gió lớn. Tuy nhiên thời gian sấy và giá thành nói chung vẫn cao hơn sấy nóng và vì vậy, nếu không cần thiết phải sấy lạnh thì chỉ cần sấy nóng và nếu sấy nóng bằng bơm nhiệt thì giá thành sẽ rẻ hơn rất nhiều. Theo [34], trên cơ sở phân tích hiệu quả năng lƣợng của HTS BN có tên là BKBSH 1.4 theo phƣơng pháp Excergy và cân bằng năng lƣợng, Phạm Văn Tùy và đồng sự đã rút ra kết luận đối với các loại rau quả thực phẩm sau thu hoạch nên vận hành trong khoảng nhiệt độ bay hơi từ -5 đến 0C, nhiệt độ ngƣng tụ từ 36oC đến 38C (tƣơng ứng với nhiệt độ không khí trong buồng sấy từ 26oC đến 28oC). Các tổn thất exergy lớn nhất trong hệ thống là dàn BH, hệ thống gia nhiệt (dàn NT trong và quạt), hệ thống giải nhiệt (dàn NT ngoài và quạt) và máy nén. Hoàng Ngọc Đồng , Lê Minh Trí trong [4], đã tiến hành nghiên cứu sấy cà rốt trên HTS BN và khảo sát ảnh hƣởng cấu tạo của dàn BH đến khả năng tách ẩm và khả năng sấy của HTS. HTS ở đây đƣợc cấu tạo từ 2 dàn BH mắc song song có cùng một nhiệt độ sôi. Kết quả cho thấy khi sử dụng 2 dàn BH có khả năng tách ẩm lớn hơn nhiều so với trƣờng hợp sử dụng một dàn BH. Phạm Anh Tuấn [26], [27] đã công bố kết quả nghiên cứu đánh giá phạm vi nhiệt độ phù hợp đối với TNS khi dùng bơm nhiệt sấy đối lƣu cho đối tƣợng rau quả trong phạm vi t = 40oC÷50oC trong điều kiện khí hậu Việt nam. Trong trƣờng hợp sử dụng bơm nhiệt tuần hoàn kín với TBS dạng thùng quay thì hệ số SMER tăng lên nhiều hơn so với trƣờng hợp sấy tĩnh. Theo tác giả này thì nếu sử dụng biện pháp làm nguội TNS trƣớc quá trình làm lạnh bằng một hệ thống làm mát độc lập thì có thể tiết kiệm đƣợc năng lƣợng hơn so với trƣờng hợp sử dụng thiết bị ngƣng tụ phụ, chẳng hạn đối với tỏi tăng 9,6% và cà rốt tăng 12,2%. Võ Mạnh Duy và Lê Chí Hiệp [3] cũng giới thiệu nguyên tắc sấy thùng quay cho HTS BN để sấy cà rốt. Theo kết qua nghiên cứu, các tác giả đã cho biết ở tốc độ TNS 2,5 m/s, số vòng quay 15 vòng/phút, khối lƣợng sấy ban đầu 4,5 kg mô hình đạt hiệu suất tách ẩm cao, vận hành ổn định và hiệu quả hơn, sản phẩm sấy giữ đƣợc màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dƣỡng, hình dạng tốt hơn so với các phƣơng pháp sấy thông thƣờng. Năm 2010, tác giả Phan Thị Hồng Thanh và đồng sự đã nghiên cứu hợp lý chế độ sấy lạnh hành tây trên máy bơm nhiệt BK - BSH 1.4 [20]. Kết quả cho thấy các thông số ảnh hƣởng lớn nhất đến chế độ sấy để tiến hành nghiên cứu tối ƣu là: khối lƣợng VLS, tốc độ TNS, nhiệt độ TNS và hệ số bypass. Cũng trong năm 2010, các tác giả trong [19] đã nghiên cứu ảnh hƣởng của việc bố trí dàn BH đến khả năng tách ẩm ra khỏi TNS. HTS đƣợc sử dụng ở đây có 01 máy nén, 02 dàn BH mắc song song theo đƣờng tuần hoàn môi chất lạnh (có cùng nhiệt độ sôi) và mắc nối tiếp theo đƣờng tuần hoàn TNS. Kết quả nghiên cứu cho thấy khả năng tách ẩm của hệ thống này lớn hơn so với trƣờng hợp chỉ có 01 dàn BH. Gần đây, Nguyễn Mạnh Hùng [5] 2012 đã trình bày phƣơng án xây dựng HTS BN sử dụng chu trình lạnh 2 nhiệt độ sôi. Với phƣơng án sấy gián đoạn hay sấy có thời gian ủ khác nhau có thể tiết kiệm đƣợc gần 30% năng lƣợng so với cách sấy thông thƣờng. Qua các nghiên cứu trên thấy rằng việc nghiên cứu sử dụng bơm nhiệt để chế tạo HTS là một hƣớng đi rất phù hợp với thực tế hiện nay. Chúng gợi mở ra đƣợc một trong những phƣơng pháp giảm thiểu chi phí năng lƣợng cho QTS, tăng cao chất lƣợng sản phẩm. Tuy vậy, việc tiến hành nghiên cứu làm sao để sử dụng HTS BN một cách hiệu quả và giảm thiểu chi phí năng lƣợng cho QTS vẫn rất cần quan tâm nhất là trong điều kiện ở nƣớc ta việc áp dụng HTS BN vẫn còn mới mẻ. Có thể thấy rằng việc nghiên cứu khả năng tiết kiệm thông qua điều chỉnh lƣợng TNS bypass, bố trí nhiều dàn bay hơi, hay gần đây là trong [5] tác giả đã đề cập đến PPS gián đoạn khi sấy khoai tây dạng thái lát… vẫn còn vấn đề cần nghiên cứu mà các tác giả chưa đề cập đầy đủ, ví dụ như nghiên cứu đưa ra được chế độ vận hành hợp lý cho HTS BN. Nói cách khác là có thể thải lượng nhiệt thừa ra khỏi hệ thống kín một cách hợp lý nhằm đảm bảo được việc cấp nhiệt đáp ứng được tốt nhất cho VLS mà vẫn tránh được sự lãng phí năng lượng. Để đáp ứng được điều này thì rất cần phải nghiên cứu động học QTS của vật liệu nhằm tìm ra điều kiện phù hợp cho quá trình cấp cũng như thải nhiệt ra môi trường. 1.3. MỘT SỐ VẤN ĐỀ TNTC TRONG VẬT LIỆU SẤY 1.3.1. Quy luật dịch chuyển nhiệt - ẩm trong lòng vật liệu Các dòng dịch chuyển trong VLÂ khi quá trình sấy diễn ra thƣờng rất phức tạp. Khi nghiên cứu các hiện tƣợng này, ngƣời ta [1], [12], [15] đã chứng minh rằng khi dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm dù đƣợc xem xét riêng rẽ hay liên hợp thì QTS đều là các quá trình không thuận nghịch. Hệ phƣơng trình viết cho trƣờng hợp dẫn nhiệt và khuếch tán sử dụng quan hệ truyến tính Onzager có dạng [12], [13], [67]: L L 1 1 J1  L11   L12    112 T  122  T  T  L L 1 1 J 2  L 21   L 22     212 T  222  T  T  (1.1) Với J1, J2 lần lƣợt là dòng nhiệt và dòng ẩm, các hệ số hiện tƣợng Lmn (với m, n = 1,2) là các hệ số có quan hệ ràng buộc với nhau theo biểu thức đối xứng: L12 = L21 (1.2) Mặt khác theo định luật nhiệt động 2 ngƣời ta cũng xác nhận rằng ảnh hƣởng của L12, L21 luôn chỉ là ảnh hƣởng phụ đến các quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán do chúng luôn thỏa mãn điều kiện: L12L21 < L11L22 (1.3) Nếu xem dẫn nhiệt và khuếch tán riêng rẽ nhau, hay L12 = L21 = 0 thì từ (1.1) ta rút ra đƣợc định luật Fourier về dẫn nhiệt và định luật Fick về khuếch tán. J1   L11 T  gradT T2 (1.4) J2   L 22   grad  2 (1.5) 1.3.2. Mô hình toán học biểu diễn hiện tƣợng dịch chuyển trong VLS 1.3.2.1. Mô hình thực nghiệm Mô hình đƣợc xây dựng trên cơ sở số liệu đo đạc từ thực nghiệm (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ…), sau khi có kết quả thực nghiệm ta tiến hành hồi quy thực nghiệm và tìm ra quan hệ của các đại lƣợng. Trong QTS thì quan hệ giữa độ chứa ẩm M và thời gian  luôn là đối tƣợng cần xác lập quan hệ, quan hệ phổ biến nhất thƣờng đƣợc sử dụng để mô tả QTS có dạng: MR  Trong đó: M  Me  exp( k) M0  Me (1.6) MR - độ chứa ẩm không thứ nguyên M0 - độ chứa ẩm ban đầu , kgâ/kgVLK Me - độ chứa ẩm cân bằng, kgâ/kgVLK M - độ chứa ẩm ở thời điểm , kgâ/kgVLK k - hằng số sấy, 1/s Quan hệ (1.6) thu đƣợc dựa trên cơ sở của định luật Fick, bỏ qua ảnh hƣởng co ngót vật liệu, giả thiết hệ số khuếch tán ẩm không đổi và sấy trong điều kiện đẳng nhiệt. Do đó khi nhiệt độ VLS thay đổi, vật liệu co ngót (CN) trong QTS và hệ số khuếch tán ẩm thay đổi theo nhiệt độ thì mô hình (1.6) không còn đúng nữa. Đặc biệt là trong QTS gradien nhiệt độ (gradT) và gradien độ chứa ẩm (gradM) tăng dần theo thời gian và tọa độ trong trong VLS, mô hình thực nghiệm (1.6) không thể hiện đƣợc và đây chính là hạn chế của mô hình này. 1.3.2.2. Mô hình truyền nhiệt truyền chất Dịch chuyển ẩm trong VLS do dòng nhiệt từ môi trƣờng tác động vào thông thƣờng bao gồm quá trình khuếch tán ẩm dạng lỏng từ trong lòng ra bề mặt của VLS và quá trình bay hơi ẩm từ bề mặt ra môi trƣờng bên ngoài. Hệ phƣơng trình miêu tả hiện tƣợng này với điều kiện không có nguồn sinh ẩm, không có nguồn sinh nhiệt, không có phản ứng hóa học trong lòng VLS và bỏ qua ảnh hƣởng của áp suất toàn phần viết cho tấm phẳng có dạng [1], [2], [12], [15], [67]: t  a11 2 t  a12 2 M  M  a 21 2 t  a 22 2 M  Trong đó: a 11  a  (1.7) Dr D r ; a12  ; a 21  D ; a 22  D C C với D là hệ số khuếch tán ẩm;  là hệ số gradien nhiệt độ ;  là tiêu chuẩn biến pha; a là hệ số khuếch tán nhiệt; r là nhiệt ẩn hóa hơi của nƣớc. Mô hình dạng (1.7) đã đƣợc nghiên cứu rất kỹ và đƣợc A.V Luikov giải với các loại điều kiện đơn trị khác nhau [67]. Tuy nhiên mô hình (1.7) đã bỏ qua ảnh hƣởng của hiện tƣợng CN trong vật liệu trong khi hiện tƣợng này xảy ra gần nhƣ là đối với hầu hết các loại VLÂ. Điều này kéo theo là sự thay đổi của các thông số nhƣ a, D… 1.3.2.3. Một số mô hình toán nghiên cứu hiện tƣợng co ngót VLS Đối với các loại VLÂ có độ ẩm cao, khi độ ẩm thay đổi thì khả năng làm biến đổi hình dạng hay CN là hoàn toàn có thể xảy ra. Theo Wang và Bremman [92], CN có thể là do sự giảm độ ẩm trong VLS, khi lƣợng ẩm giảm xuống thì một phần thể tích do lƣợng ẩm này chiếm chỗ sẽ bị mất đi và sẽ dẫn đến thể tích của VLS bị giảm xuống. Wang và Bremman [92] đã đề xuất mô hình mô tả hiện tƣợng truyền nhiệt truyền ẩm trong lát khoai tây khi có kể đến ảnh hƣởng của co ngót nhƣ là sự sụt giảm thể tích của khoai tây khi lƣợng ẩm giảm dần nhƣng với giả thiết rằng hình dạng của VLS vẫn không đổi trong toàn bộ QTS. Trong [93], Wang cùng các đồng nghiệp đã biểu diễn sự thay đổi chiều dày của VLS theo độ chứa ẩm từ số liệu thực nghiệm dƣới dạng tuyến tính:  = A +B.M (1.8) trong đó  là chiều dày VLS, A và B là các hệ số thực nghiệm, M là độ chứa ẩm trung bình. Tƣơng tự, Quiroz và cộng sự [79] cũng xây dựng quan hệ giữa sự thay đổi bán kính trung bình r theo bán kính ban đầu r0 của chuối sấy với độ chứa ẩm trung bình M thông qua biểu thức: r  0,4721  0,1819.M r0 (1.9) Lima [68] , Simal [85] cũng biểu diễn sự thay đổi của thể tích VLS theo độ chứa ẩm trung bình dƣới dạng: V  1   2 .M V0 (1.10) Trong đó: V0, V: lần lƣợt là thể tích ban đầu và thể tích ở thời điểm xét tƣơng ứng với độ chứa ẩm trung bình M; 1, 2 là hệ số thực nghiệm. Quan hệ giữa thể tích và bán kính đƣợc Bani và Langrish [45] biểu diễn thông qua sự thay đổi độ chứa ẩm nhƣ sau: 2  r V  M      0,6  0,4  r0  V0   M0  0,5 (1.11) Với các cách biểu diển sự co ngót theo thời gian thông qua ảnh hƣởng của sự giảm thể tích, chiều dày hay bán kính ứng với mỗi khoảng thời gian xác định khi thay vào hệ phƣơng trình truyền nhiệt truyền chất thì có thể nghiên cứu đƣợc sự co ngót của VLS. Tuy nhiên, với mỗi một đối tƣợng VLS khác nhau thì cần phải xác định các hệ số này ở các thực nghiệm khác nhau dẫn đến phạm vi áp dụng của chung bị hạn chế trong phạm vi hẹp. Cũng với việc xem xét nghiên cứu bổ sung hiện tƣợng CN vào hệ phƣơng trình truyền nhiệt truyền chất (TNTC) mà Hadrich và Kechaou [58] đã biểu diễn quan hệ tuyến tính giữa khối lƣợng riêng vật liệu khô s và khối lƣợng riêng của vật liệu khi chất đống b theo độ chứa ẩm M đối với khoai tây là: s = b(1 + 1,4855.M) (1.12) Có thể thấy rằng đối với các công thức từ (1.8) đến (1.12) là các công thức cần đƣợc xác định từ thực nghiệm nên đây cũng vẫn là một hạn chế của hƣớng nghiên cứu này. Và thực tế việc áp dụng những kết quả nảy chỉ đảm bảo chính xác khi mà các điều kiện tính toán tƣơng đồng với điều kiện thí nghiệm. Nhƣ vậy có thể thấy rằng việc xét đến ảnh hƣởng của hiện tƣợng CN VLS khi nghiên cứu QTS vật liệu ẩm là điều không thể bỏ qua để có thể đảm bảo kết quả nghiên cứu có khả năng áp dụng một cách thực tế. 1.3.3. Một số phƣơng pháp xác định TGS Trong tính toán thiết kế hệ thống sấy (HTS), việc xác định TGS là một vấn đề quan trọng nhằm đảm bảo chất lƣợng của sản phẩm ở cuối quá trình sấy cũng nhƣ tối ƣu quá trình vận hành hay dây chuyền công nghệ. Do đó, đây là một nhiệm vụ quan trọng và không thể thiếu trong mỗi thiết kế HTS. TGS là đại lƣợng chịu sự tác động của rất nhiều yếu tố nhƣ loại VLS, hình dáng kích thƣớc của vật liệu, độ ẩm ban đầu và độ ẩm cuối, loại thiết bị sấy, phƣơng pháp cung cấp nhiệt, chế độ sấy (nhiệt độ, độ ẩm và vận tốc của tác nhân sấy)...v.v. Chính vì thế mà rất khó có thể xác định chính xác đại lƣợng này bằng giải tích hay theo kinh nghiệm vận hành. Có thể điểm qua một số phƣơng pháp xác định TGS đã và đang đƣợc sử dụng trong kỹ thuật sấy hiện nay nhƣ sau: 1.3.3.1. Phƣơng pháp lý thuyết ết hợp thực nghiệm: Nội dung của phƣơng pháp này là dựa vào các kết quả nghiên cứu giải tích đã đƣợc đơn giản nhờ những giả thiết trên cơ sở phân tích động học QTS và sau đó kết hợp với thí nghiệm để tìm ra một biểu thức tƣờng minh cho phép xác định TGS trong một trƣờng hợp cụ thể nào đó. Phổ biến và tiêu biểu cho phƣơng pháp này là của A.V. Luikov và G.K. Phylonhenko [1], [12]. Tuy nhiên, cả hai phƣơng pháp cũng phạm phải sai số do việc bỏ qua nhiều điều kiện thực tế khi tìm nghiệm của bài toán khuếch tán ẩm cũng nhƣ không tính đến thời gian đốt nóng vật. Nội dung của phƣơng pháp này nhƣ sau: a. Phương pháp của Luikov. Theo Luikov [12], [67], khi bỏ qua giai đoạn đốt nóng thì tổng TGS của vật bao gồm 2 giai đoạn, đó là thời gian của giai đoạn tốc độ sấy không đổi 1 (trong giai đoạn này nhiệt độ của vật hầu nhƣ không đổi nhƣng độ ẩm trung bình tích phân wtb = f() giảm rất nhanh và có quan hệ với thời gian đƣợc coi là tuyến tính) và thời gian của giai đoạn tốc độ sấy giảm dần 2 .