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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯƠNG MINH THẮNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG QUÁ TRÌNH SẤY BẰNG BƠM NHIỆT KIỂU BẬC THANG LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT HÀ NỘI – 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRƯƠNG MINH THẮNG NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG QUÁ TRÌNH SẤY BẰNG BƠM NHIỆT KIỂU BẬC THANG Chuyên ngành: Kỹ thuật nhiệt Mã số: 62520115 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC LỢI 2. GS. TSKH. TRẦN VĂN PHÚ HÀ NỘI - 2014 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết quả trong luận án là trung thực và chưa có ai công bố trong bất kỳ công trình nào. Hà nội, ngày 30 tháng 06 năm 2014 Tác giả luận án Trương Minh Thắng LỜI CẢM ƠN Luận án tiến sỹ với đề tài: "Nghiên cứu truyền nhiệt truyền chất trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kiểu bậc thang " đã được hoàn thành trong thời gian từ tháng 11 năm 2007 đến tháng 06 năm 2014 tại Bộ môn Kỹ thuật Lạnh và Điều hòa không khí, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt Lạnh Trường Đại học Bách Khoa Hà nội. Tác giả xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh, Viện Sau đại học, đặc biệt là tập thể giáo viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Đức Lợi, GS. TSKH. Trần Văn Phú và các thầy cô giáo trong Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh đã nhiệt tình hướng dẫn trong suốt quá trình làm luận án. Tác giả xin gửi lời cảm ơn đến các đồng nghiệp trong bộ môn Nhiệt kỹ thuật Khoa Cơ khí, trường Đại học Giao thông Vận tải đã tạo điều kiện thời gian, giúp đỡ, động viên, khuyến khích để tác giả có thể hoàn thành được luận án. Tác giả cũng chân thành cảm ơn các em sinh viên khóa 50 trường Đại học Giao thông Vận tải đã giúp đỡ và cùng tác giả thực hiện đo đạc thực nghiệm, thu thập số liệu góp phần vào sự hoàn thành luận án. Cuối cùng, tác giả cũng xin tỏ lòng cảm ơn đến gia đình, bạn bè và người thân đã hỗ trợ, động viên trong toàn bộ thời gian làm luận án Hà nội, ngày 30 tháng 06 năm 2014. Tác giả luận án Trương Minh Thắng -1MỞ ĐẦU TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Sấy là một trong những biện pháp bảo quản và chế biến sản phẩm đã được sử dụng rất sớm trong lịch sử loài người. Trong quá trình sấy, hiện tượng diễn ra phổ biến nhất chính là hiện tượng truyền nhiệt truyền chất (TNTC) liên hợp. Khi nghiên cứu lý thuyết hiện tượng TNTC liên hợp, các tác giả thường dựa vào việc giải hệ phương trình vi phân TNTC ứng với các điều kiện đơn trị khác nhau. Mặc dù các công cụ nghiên cứu đã phát triển nhưng trong đó người ta vẫn bỏ qua một số ảnh hưởng qua lại như ảnh hưởng của trường độ ẩm đến trường nhiệt độ trong vật liệu sấy, bỏ qua ảnh hưởng của sự co ngót (CN) vật liệu trong quá trình sấy (QTS)… Bên cạnh đó, việc nghiên cứu ứng dụng những hệ thống thiết bị sấy hiện đại vào điều kiện Việt Nam là một trong những đòi hỏi cấp bách do nước ta có nền nông nghiệp phát triển, các sản phẩm nông sản sau thu hoạch do không được bảo quản và xử lý kịp thời đã dẫn đến hao hụt và giảm chất lượng sản phẩm. Bơm nhiệt (BN) là một trong những thiết bị có khả năng tiết kiệm năng lượng cao, ưu điểm của BN đã được chứng minh bằng lý thuyết cũng như trong thực tế kỹ thuật. Khi sử dụng BN thay cho hệ thống sấy thông thường, nó đã mang lại hiệu quả to lớn mà các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước đã tổng kết. Tuy nhiên, bên cạnh những kết quả đã đạt được trong kỹ thuật sấy thì việc sử dụng BN trong hệ thống sấy (HTS) vẫn còn có những vẫn đề tồn tại và phải giải quyết. HTS BN là hệ thống sấy ở nhiệt độ vừa phải, vì vậy thời gian sấy (TGS) sẽ lớn hơn so với các HTS thông thường và do đó việc tiêu hao năng lượng luôn là vấn đề cần quan tâm và cải thiện, nhất là trong bối cảnh năng lượng đang ngày càng cạn kiệt trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Mặt khác, theo động học QTS, lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu sấy (VLS) sẽ thay đổi theo thời gian và giảm dần ở cuối quá trình. Tương ứng với nó, nhiệt năng cần cung cấp cho VLS cũng giảm dần trong khi hệ thống hoạt động liên tục cũng là vấn đề làm cho lãng phí năng lượng. Vì vậy, việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng và vận hành hợp lý HTS BN nhằm đảm bảo phù hợp với động học QTS là rất cần thiết. Với những yêu cầu cấp bách đặt ra như 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 Mục đích của luận án là: Nghiên cứu hiện tượng TNTC trong kỹ thuật sấy, từ đó làm cơ sở nghiên cứu động học QTS trong HTS BN khi xét đến ảnh hưởng của độ ẩm đến trưởng nhiệt độ và ảnh hưởng của sự co ngót (CN) VLS. Nghiên cứu hiệu chỉnh phương pháp tương tự xác định thời gian sấy (TGS) khi kể đến hiện tượng CN VLS để kết quả tính toán theo phương pháp này phù với thực tế hơn. Đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS BN kiểu bậc thang. Để đạt được những mục đích đó, luận án tập trung vào những nội dung sau: - Nghiên cứu quá trình dịch chuyển nhiệt ẩm đồng thời trong VLS khi kể đến hiện tượng CN VLS trong QTS bằng BN. - Nghiên cứu biện pháp hiệu chỉnh phương pháp tương tự xác định TGS có kể đến ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS - Nghiên cứu đánh giá sự phù hợp của mô hình toán kể đến hiện tượng CN VLS (MHCN) và mô hình toán không kể đến CN VLS (MHKCN) với thực nghiệm trên HTS BN. - Đánh giá tiết kiệm năng lượng trên HTS BN kiểu bậc thang HTS GT-01. -2- Đề xuất giải pháp tiết kiệm năng lượng thông qua chế độ vận hành HTS GT-01. ĐỐI TƢỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU Đối tượng nghiên cứu (NC) trong luận án là quá trình TNTC với các điều kiện sấy trong HTS BN. Vật liệu đại diện cho kết quả nghiên cứu là cà rốt trồng ở miền Bắc Việt nam. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Phương pháp nghiên cứu (PPNC) trong luận án là phương pháp (PP) lý thuyết (LT) kết hợp thực nghiệm (TN). Về PPNC LT, nội dung NC chính gồm hai phần. Thứ nhất là NC một số vấn đề về quá trình dịch chuyển nhiệt ẩm trong lòng VLS, từ đó lựa chọn mô hình toán học để giải quyết vấn đề động học và các yếu tố ảnh hưởng đến QTS. Thứ hai là hiệu chỉnh PP xác định TGS theo lý thuyết tương tự khi kể đến hiện tượng CN VLS, áp dụng cho trường hợp sấy BN. Về mặt NC TN, nội dung chính là xây dựng mô hình TN, thực nghiệm kiểm chứng các kết quả lý thuyết, các PP tiết kiệm năng lượng (NL), ... Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU Về mặt lý thuyết TNTC, luận án góp phần làm sáng tỏ cơ chế dịch chuyển nhiệt ẩm trong VLS. Nghiên cứu động học QTS bằng mô hình toán học trên cơ sở xét đến ảnh hưởng của độ ẩm đến dòng nhiệt và hiện tượng CN VLS. Bên cạnh đó, luận án đề xuất phương án hiệu chỉnh PP tương tự xác định TGS áp dụng cho QTS bằng BN khi xét đến hiện tượng CN VLS thông qua việc xác định lại hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả. Về mặt thực tiễn, luận án bổ sung thêm phương án tiết kiệm NL đối với QTS trên HTS BN kiểu bậc thang. Kết quả này đã đóng góp thêm về mặt công nghệ sấy, làm tiền đề cho nghiên cứu mở rộng và áp dụng trong quy mô công nghiệp trong KTS các sản phẩm sau thu hoạch. BỐ CỤC LUẬN ÁN: Luận án bao gồm thành 5 chương. Chương 1 nêu tổng quan các vấn đề cần NC. Chương 2 giới thiệu về vật liệu và PP NC. Chương 3 tập trung vào NC lý thuyết TNTC, lựa chọn mô hình TNTC và cách giải, biện pháp hiệu chỉnh phương pháp tương tự xác định TGS. Chương 4 trình bày nội dung của NC thực nghiệm và đánh giá tiết kiệm NL trên HTS GT-01. Chương 5 giới thiệu và thảo luận các kết quả NC lý thuyết, kết quả NC thực nghiệm và đánh giá so sánh giữa kết quả LT với TN. Cuối cùng là các kết luận, những đóng góp mới của luận án và kiến nghị hướng nghiên cứu tiếp theo. Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ SẤY BƠM NHIỆT VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT 1.1. MỘT SỐ VẦN ĐỀ CƠ BẢN VỀ SẤY Trong mục này bao gồm nội dung về các loại KTS, nguyên lý hoạt động của HTS BN và sự tiết kiệm năng lượng khi sử dụng HTS bằng BN. 1.2. TỔNG QUAN CÁC KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU HHTS BN 1.2.1. Tổng quan các kết quả nghiên cứu HTS BN trên thế giới 1.2.2. Tổng quan các kết quả nghiên cứu HTS BN ở Việt Nam Qua các nghiên cứu tổng quan trên, luận án thấy được vẫn còn cần nghiên cứu thêm về 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 -3sự 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 SÔ VẤN ĐỀ TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG VLS 1.3.1. Quy luật dịch chuyển nhiệt-ẩm trong lòng vật liệu 1.3.2. Mô hình toán học biểu diễn hiên tƣợng dịch chuyển trong VLS Phần này trình bày một số mô hình thực nghiệm, mô hình TNTC và mô hình nghiên cứu hiện tượng CN VLS. 1.3.3. Một số phƣơng pháp xác định TGS: Nội dung chủ yếu của mục này là giới thiệu một số phương pháp xác định TGS như phương pháp của A.v.Luikov, Phylonhenko, phương pháp đồ thị của Asahin Dincer... Phương pháp tương tự để xác định TGS được tóm lược như sau: 1. Xác định tính tương tự về mặt toán học của bài toán dẫn nhiệt với bài toán khuếch tán ẩm tương ứng trong chế độ sấy cần xác định TGS 2. Tìm quan hệ Q(0,)/Q(0,) của bài toán đốt nóng hay làm nguội của bài toán dẫn nhiệt tương tự được xác định trong bước 1. Với Q(0,), Q(0,) lần lượt là nhiệt lượng mà vật nhận được hoặc mất đi trong khoảng thời gian (0, ) và (0,). 3. Đồng nhất quan hệ sau: Q(0,)/Q(0,)  M(0,)/M(0,) Trong đó Q(0,)/Q(0,) xác định từ nghiệm của phương trình dẫn nhiệt tương ứng 4. Xác định FoM từ quan hệ trong bước ở trên và từ đó tìm được thời gian sấy . Phương pháp trên chưa đề cập đến vấn đề CN VLS, một hiện tượng phổ biến xảy ra trong QTS thực tế và luôn là vấn đề cần được xem xét giải quyết. 1.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 1 Từ những tổng quan trên, chúng tôi đề xuất các vấn đề cần giải quyết của luận án như sau: 2. Nghiên cứu mô hình toán học có kể đến ảnh hưởng của sự CN VLS đến động học QTS hay nói cách khác là cần phải giải hệ phương trình TNTC khi kể đến ảnh hưởng của độ ẩm đến trường nhiệt độ và sự CN VLS. 3. Nghiên cứu hiệu chỉnh cách tính TGS theo phương pháp tương tự khi kể đến ảnh hưởng của sự CN VLS để giảm thiểu sai số do bỏ qua hiện tượng này. 4. Đánh giá khả tiết kiệm năng lượng của HTS BN kiểu bậc thang. Chƣơng 2 VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU Vật liệu nghiên cứu được đề tài lựa chọn là cà rốt dạng thái lát mỏng. Lý do lựa chọn loại vật liệu này ở chỗ đây là loại nông sản phổ biến ở Việt Nam cũng như có các hàm lượng chất dinh dưỡng cao, các thông số nhiệt vật lý đã được nghiên cứu và công bố khá đầy đủ. Đây là thuận lợi của việc lựa chọn vật liệu này, hơn nữa các tài liệu đã công bố liên quan đến vật liệu này được sử dụng làm cơ sở để đối chiếu so sánh và đánh giá so với kết quả nghiên cứu của luận án. Ngoài ra, với phạm vi thông số của sấy bơm nhiệt, cà rốt sấy có rất nhiều ưu điểm về chất lượng. -42.2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU. Phương pháp nghiên cứu lựa chọn ở đây là PP NC LT kết hợp với PP NC TN. 2.2.1. Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết Lựa chọn hệ phương trình TNTC có kể đến CN VLS và tiến hành giải bằng PP sai phân hữu hạn (SPHH) để xác định trường nhiệt độ và độ ẩm phân bố trong VLS theo thời gian và không gian. Đề xuất về mặt LT cách tính TGS theo lý thuyết tương tự khi kể đến CN VLS. Các thông số nhiệt vật lý của VLS như nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt hay hệ số khuếch tán hiệu quả…được tính toán theo sự thay đối của nhiệt độ từ các kết quả đã công bố. Kết hợp với sơ chế cà rốt bằng phương pháp chần, phạm vi tính toán QTS được lựa chọn dựa trên các tổng kết của các công trình nghiên cứu trong nước bao gồm: nhiệt độ TNS ta: 30 ÷ 45 (oC); độ ẩm TNS a: 25 ÷ 45 (%); tốc độ TNS a: 0,5÷2,5 (m/s). Với phạm vi này sẽ cho kết quả đảm bảo về mặt chất lượng, cảm quan và hàm lượng β-carotene cao nhất. 2.2.2. Phƣơng pháp nghiên cứu thực nghiệm Mô hình thí nghiệm được xây dựng trên cơ sở chu trình lạnh kiểu bậc thang, bao gồm 2 hệ thống BN độc lập ghép nối tiếp nhau theo chiều chuyển động của TNS. TNS đi từ dàn bay hơi (BH) có nhiệt độ bay hơi thấp sang dàn BH có nhiệt độ bay hơi cao hơn trước khi đi qua dàn ngưng tụ (NT) có nhiệt độ ngưng thấp rồi đến dàn NT có nhiệt độ cao hơn và cuối cùng đi vào TBS thực hiện việc trao đổi nhiệt ẩm với VLS. Để giải nhiệt thừa ra khỏi hệ thóng chúng tôi bố trí 2 dàn ngưng phụ (NP) ứng với hai máy đặt bên ngoài. Các dàn NP này được đóng ngắt thông qua các van điện từ. Quạt cho các dàn NP này cũng được đóng ngắt độc lập để tăng tính linh hoạt cho việc vận hành. Các số liệu bao gồm nhiệt độ TNS, độ ẩm TNS và tốc độ TNS được xác định từ thiết bị thí nghiệm thông qua việc tính toán giá trị trung bình theo tiết diện ứng với các vị trí đo. Tiến hành thí nghiệm với các bước sau: Sơ chế cà rốt: Gọt vỏ, cắt lát với kích thước 2 = 10mm, chọn những lát có đường kính xấp xỉ nhau, khoảng 50mm., sau đó chần trong nước 80oC trong 3 phút. Tiến hành thí nghiệm sấy:Tiến hành chạy thử, kiểm tra áp kế, nhiệt kế, quạt … đảm bảo tất cả các thiết bị này hoạt động bình thường. Đưa HTS và TNS đến chế độ yêu cầu. Cân khối lượng cà rốt trước khi đưa vào khay sấy, sắp xếp trên khay sấy các lát cà rốt sao cho chiều của TNS trong TBS song song và tiếp xúc được với 2 mặt của lát cà rốt một cách đều nhất. Chạy máy, ghi lại các thông số đầu tiên của hệ thống bao gồm chỉ số công tơ điện, nhiệt độ TNS, độ ẩm TNS, tốc độ TNS, khối lượng của cà rốt sấy trên cân điện tử, áp suất đầu đẩy, đầu hút của các máy nén trong hệ thống… Mỗi 5 phút bắt đầu ghi lại các số liệu này và tiến hành cho đến khi khối lượng của cà rốt không đổi trong 5 lần đo liên tiếp. Chú ý mỗi 25 phút chạy cho máy ngừng hoạt động 5 phút để hệ thống xả băng, tránh hiện tượng đóng băng trên dàn BH 2.2.3. Xử lý số liệu thực nghiệm Để đánh giá các kết quả thí nghiệm, chúng tôi tiến hành mỗi thí nghiệm 3 lần, kết quả để đối chiếu so sánh với lý thuyết là trung bình của 3 lần thí nghiệm nhằm loại bỏ sai số ngẫu nhiên. Các số liệu TN sẽ được phân tích và xử lý nhằm loại đi các giá trị không phù hợp nếu mắc phải sai số quá lớn. Kiểm chứng sự phù hợp của MHCN và TN được đánh giá thông qua sai số căn quân phươn RMSE và sai số tuyệt đối trung bình MAE. Giá trị RMSE và MAE đối càng nhỏ thì số liệu càng gần đúng với TN hơn. 2.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2 -5Trong chương này, chúng tôi đã xác định VLS đại diện để nghiên cứu quá trình TNTC là cà rốt dạng thái lát có kích thước chiều dày là 2 = 10mm. Xác định phạm vi nghiên cứu của các thông số liên quan đến QTS cũng như sử dụng phương pháp SPHH để giải hệ phương trình TNTC khi xét đến CN VLS. Lựa chọn HTS BN hoạt động theo kiểu bậc thang để làm thiết bị TN cũng như phương pháp tiến hành và xử lý số liệu TN. . Chƣơng 3. NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG VẬT LIỆU SẤY 3.1. MÔ HÌNH TOÁN HỌC CỦA QUÁ TRÌNH TNTC XÉT ĐẾN SỰ CN VLS Mô hình vật lý trong trường hợp khảo sát như sau: TNS có nhiệt độ ta, tốc độ a và độ ẩm tương đối a thực hiện quá trình trao đổi nhiệt ẩm tại bề mặt VLS. VLS có chiều dày 2 được đặt trong TBS sao cho sự trao đổi nhiệt ẩm đồng đều ở cả 2 mặt. Hiện tượng dẫn nhiệt được thực hiện khi VLS hấp thụ nhiệt từ TNS qua bề mặt làm cho nhiệt độ của VLS tăng dần lên, độ ẩm của VLS bắt đầu giảm do sự dịch chuyển dần Hình 3.1. Mô hình vật lý và bước chia sai phân một nửa bề dày tấm VLS từ trong lòng ra bề mặt và được TNS mang ra ngoài qua hệ số trao đổi ẩm trung bình Mô hình toán học của mô hình vật lý trên hình 3.2 là: tại bề mặt M. Khi QTS bắt đầu thì sự dịch  t  x t  1 .(t )  r.s . M  x .C p .C p  chuyển của bề mặt VLS dần vào phía tâm   (3.2)  M  M cũng bắt đầu xảy ra. Chiều dày cuối QTS   x  D(T). 2 M     x  của VLS sẽ bằng chiều dày của VLS ở điều kiện cân bằng e. Do quá trình này có tính chất đối xứng nên chỉ cần tính toán cho một nửa chiều dày tấm  và được biểu diễn trên hình 3.1. Với mô hình vật lý như trên và trong trường hợp tính đến ảnh hưởng của khuếch tán ẩm đến dẫn nhiệt nhưng bỏ quả ảnh hưởng của dẫn nhiệt đến khuếch tán ẩm việc xét đến ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS trong QTS là rất cần thiết, nên ở đây, chúng tôi bổ sung ảnh hưởng này vào hệ phương trình TNTC và có dạng (3.2). Trong đó: toC, M kgâ/kgVLK,  kg/m3, Cp J/kgK,  W/mK, D m2/s lần lượt là nhiệt độ, độ chứa ẩm, khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả của VLS,  - thời gian, s, r - nhiệt ẩn hóa hơi của nước, kJ/kg. Các giả thiết của mô hình (3.2) bao gồm: Tính đến ảnh hưởng của khuếch tán ẩm đến dẫn nhiệt nhưng bỏ qua ảnh hưởng của dẫn nhiệt đến khuếch tán ẩm; VLS là đồng chất, không có phản ứng hóa học và không có nguồn sinh nhiệt bên trong; Các tính chất nhiệt vật lý của VLS phụ thuộc vào nhiệt độ hoặc độ chứa ẩm hoặc phụ thuộc cả hai; Hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả D ít phụ thuộc vào độ chứa ẩm nhưng phụ thuộc nhiệt độ của VLS; Nhiệt độ và độ chứa ẩm ban đầu của VLS là đồng nhất; Dịch chuyển ẩm bên trong chủ yếu là dạng hơi và kể đến hiện tượng CN VLS nhưng coi hình dáng của VLS không đổi Điều kiện đơn trị của hệ (3.1) bao gồm: -6- Điều kiện ban đầu: t(x, 0) = t0; - Điều kiện đối xứng: M(x, 0) = M0 t 0 x x 0 (3.3) M 0 x x 0 (3.4) -Điều kiện biên: ( t a  t ) x  x   M  s r (M  M e ) x  x   s s  D. M x t x x  xs  C p  x t x  xs   x M x  xs   M (M  M e ) x  xs (3.5) (3.6) xxs Ở đây: ,W/m2K-hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình tại bề mặt VLS; M, m/s-hệ số trao đổi ẩm đối lưu trung bình tại bề mặt VLS; x , m/s - tốc độ CN trung bình của VLS; s,  ,kg/m3- khối lượng riêng của VLK và VLÂ; t0 oC và M0, kgâ/kgVLK- lần lượt là nhiệt độ và độ chứa ẩm ban đầu của VLS. 3.2. PHƢƠNG PHÁP GIẢI MHCN Luận án sử dụng PP SPHH để giải hệ phương trình (3.2) với các điều kiện đơn trị (3.3)-(3.6). Các thông số được sử dụng để tính toán được xác định như sau: 3.2.1. Xác định tốc độ CN VLS Giả sử sự co ngót là tuyến tính theo phương x, có nghĩa giả sử tốc độ co ngót trung bình trong xtb  0 toàn bộ QTS tại một vị trí x bất k : x  (3.7) trong đó: 0, m/s - tốc độ CN tại bề mặt của VLS. Tốc độ CN trung bình tb của VLS trong QTS bằng:  0   cb  tb  (3.8) ở đây: 0, e, m - lần lượt là chiều dày VLS ở thời điểm ban đầu và thời điểm cuối của QTS, , s tổng TGS. Chia đều một nửa chiều dày lát VLS  thành 5 khoảng x như trên hình 3.1 thì tốc độ CN trung bình trong QTS tại các vị trí từ bề mặt (s) đến vị trí tâm (c) như sau: x s 0  x s e x 1 0  x 1 e 4 x 2 0  x 2 e 3 stb   0 ; 1tb   0 ; 2tb   0 5 5       (3.9) x 3 0  x 3 e 2 x 4 0  x 4 3 1 3 4 tb   0 ; tb   0 5 5     Từ (3.7), (3.8), (3.9) ta được:  x i 0   x i cb 4 4 i s i s   4   itb  30 i s (3.10) Trong đó,  là bước thời gian tính toán, giá trị tốc độ CN trung bình tb này có thể xác định được thông qua việc đo chiều dày của VLS ở thời điểm đầu và cuối QTS. 3.2.2. Xác định các thông số nhiệt vật lý của TNS Đã có nhiều công trình nghiên cứu và tính toán tương đối chính xác các thông số vật lý của TNS hay của không khí ẩm theo nhiệt độ, vì thế trong luận án chúng tôi lựa chọn các biểu thức tính toán các thông số của TNS thay đổi theo nhiệt độ trong phạm vị 0 ÷ 80oC. Chúng bao gồm: khối lượng riêng a(t), kg/m3; hệ số nhớt động lực học a(t), kg/m.s; hệ số dẫn nhiệt a(t), w/mK; hệ số khuếch tán của hơi ẩm vào không khí Dâ(t), m2/s; nhiệt dung riêng của không khí ẩm Cpa(t), kJ/kgK. 3.2.3. Xác định các thông số nhiệt ẩm của cà rốt Các thông số nhiệt ẩm của cà rốt đã được nghiên cứu và tính toán chi tiết theo sự phụ thuộc vào -7nhiệt độ của các thành phần khối lượng. Ở đây chúng tôi chọn các công thức này để tính toán. Chúng bao gồm: 3.2.3.1.Nhiệt dung riêng của cà rốt Cp, J/kgK Cp=xp(Cp)p+ xF(Cp)F +xCHO(Cp)CHO+ xFi(Cp)Fi+ xASH(Cp)ASH+ xw(Cp)w (3.20) 3.2.3.2.Hệ số d n nhiệt của cà rốt , W/mK λ(t) =x w λ w +x p λ p +x Fλ F +x Fi λ Fi +x CHOλ CHO +x ASH λ ASH (3.21) Trong đó xp, xF, xCHO, xFi, xASH, xw lần lượt là các thành phần khối lượng của các chất trong vật liệu và Ci , i là nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt tương ứng. 3.2.3.3. Khối lƣợng riêng của cà rốt M, kg/m3 1 M 1 M (3.22) M   1 M 1 M    s  w 1700 1020 Với s và w là khối lượng riêng của chất khô và nước trong cà rốt. 3.2.3.4. Xác đinh độ ẩm c n b ng của cà rốt Me, kgâ/kgVLK ( t  273 )1, 363 5203  1    0 , 775  M e    ln 1  t  273   5869  100   3.2.3.5. Xác đinh hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả của cà rốt D, m2/s (3.23) 24,21   (3.29) D  1,0355.10 5 exp    3  8,314.10 .T  3.2.4. Xác định hệ số trao đổi nhiệt và trao đổi chất đối lƣu 3.2.4.1. Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lƣu trung bình , W/m2K Ở chế độ chảy có Re < 5.105 hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình trên toàn bộ chiều dài tấm ph ng được tính theo quan hệ sau đây:  y  L  0, 664 Re1/2 Pr1/3 kk L (3.34) 3.2.4.2 Xác định hệ số trao đổi chất đối lƣu M, m/s Do hiện tượng trao đổi nhiệt và trao đổi chất ở điều kiện khảo sát có tính chất tương tự nhau nên việc xác định hệ số trao đổi chất M cũng được xác định từ phương trình tiêu chuẩn truyền chất D và cuối cùng biêu thức này có dạng sau:  M   y  L  0, 664 Re1/2 Sc1/3 a (3.37) L 3.2.5. Giải hệ phƣơng trình (3.2) b ng PP SPHH Dựa vào cân bằng năng lượng và vật chất viết cho các phân tố từ (s) đến (c) như trên hình 3.1, thành lập được 12 phương trình bậc nhất theo PPSPHH viết dưới dạng hàm ẩn (đảm bảo kết quả hội tụ với mọi giá trị của bước thời gian ). aM 1,0  ... aM 1, n 1   t   c   at 1,0 ... at 1,n 1 1 1       a ... a a ... a ...  t  2,0 t  2, n 1 M  2,0  M  2, n 1     ...  (3.54)   *  ...    ...  ... ... ... ... ... ...        at n 1,0 ... at n 1,n 1 aM n 1,0 ... aM n 1,n 1   M  n 1  cn 1           Trong đó at, và aM là các giá trị hệ số có mặt trong phương trình tính nhiệt độ và độ ẩm, cn là các hằng số và các giá trị tính ở thời điểm trước khi tính toán. Giải hệ (3.54) bằng phương pháp ma trận nghịch đảo sẽ cho nghiệm là các giá trị nhiệt độ và độ -8chứa ẩm ở từng thời điểm đối với mỗi một phân tố. Quá trình tính toán sẽ dừng lại khi độ chênh giá trị độ chứa ẩm trung bình M m giữa 2 bước thời gian liên tiếp nhau đủ nhỏ ( M  105 ). Trong đó độ chứa ẩm trung bình theo thể tích của ở thời điểm m 4 Mm  Vsm M sm  Vinm M inm  Vcm M cm in 1 4 V   Vin  V m s in  0 m c x  x  4 Ms   0 m    (x  xin (m )) M inm  Mc 2  2  in 1  x  x  4  0 m    (x  xin (m ))   2 2   in 1 (3.55) Nhiệt độ trung bình theo thể tích của vật liệu ở thời điểm m sẽ được tính tương tự theo biểu thức: n tm  Vsmtsm  Vi mtim  Vcm tcm i 0 4 V   Vin  Vcm m s in  0 x m  x  4 tsm   0 m    (x  xin (m ))tinm  tc 2 2   in 1  x  x  4  0 m    (x  xin (m ))   2 2   in 1 Tổng lượng nhiệt VLS nhận được từ TNS sau toàn bộ QTS sẽ là: q = q=(ta – ts), J/m2 (3.56) (3.57) 3.3. HIỆU CHỈNH PHƢƠNG PHÁP TƢƠNG TỰ XÁC ĐỊNH TGS Theo lý thuyết tương tự để xác định thời gian sấy đã trình bày trong 1.3.3, việc xác định các đại lượng như độ ẩm đầu, độ ẩm cuối và độ ẩm cân bằng của VLS, hệ số trao đổi ẩm của VLS và đặc biệt là hệ số khuếch tán ẩm của VLS rất quan trọng và có ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả tính TGS. Trong luận án này, chúng tôi đề xuất phương án hiệu chỉnh cách tính TGS theo lý thuyết tương tự như sau: Có thể nói trong các đại lượng có tác động đến TGS khi tính toán theo lý thuyết tương tự thì việc xác định hệ số khuếch tán ẩm của VLS có tác động rất lớn đến kết quả tính toán. Đặc biệt trong trường hợp tính đến ảnh hưởng của sự CN VLS thì kích thước VLS sau QTS có thay đổi khá lớn. Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán và kích thước của LVS khi tính đến hiện tượng CN thể hiện trong FoM, đại lượng tìm được nhờ phương pháp tương tự: D. (3.59) Fo M  2  Như vậy, cần phải xác định kích thước cuối end ứng với giá trị độ ẩm cuối QTS Mend, ở giá trị này thì cần phải xác định được hệ số khuếch tán Dend. Từ đó mới có thể tìm được giá trị FoM chính xác ở cuối QTS. Tuy nhiên để đảm bảo độ chính xác của việc xác định TGS cần thiết phải có các giá trị D từ thực nghiệm ứng với quá trình tính toán. Trong trường hợp đã có số liệu từ TN thì giá trị thu được ứng với một kích thước không đổi nào đó của VLS cũng chưa phản ánh hết được thực tế trong khi có sự CV. Ở đây, dựa vào thí nghiệm, chúng tôi đề xuất các tính toán các giá trị end, Dend theo Mend như sau: Xác định kích thước đầu 0 và kích thước kết thúc QTS e (ứng với trạng thái cân bằng của VLS với TNS). Các giá trị này cũng tương ứng với độ chứa ẩm ban đầu M0 và độ chứa ẩm cân bằng Me của VLS. Tại các thời điểm lấy mẫu M (Me < M < M0) sẽ có tương ứng một kích thước  (e <  < 0), giả thiết hiện tượng CN xảy ra theo thời gian thông qua quan hệ (3.60), có n số lần lấy mẫu nên kích thước i ở thời điểm thứ i là:   e (3.60)  i   0  i. 0 n Từ đây sẽ có được n giá trị của  tương ứng với n giá trị của M. Xây dựng quan hệ giữa  và M: -9 = f(M) (3.61) Việc tiếp theo là cần xác định giá trị của D theo số liệu thực nghiệm QTS, Nghiệm của quá trình trao đổi ẩm đối với tấm ph ng trong trường hợp không CN và D không đổi có dạng: ln M 8 D. 2  ln( 2 )   M0  4. 2 (3.62) Dựa vào số liệu TN, quan hệ giữa ln(M/M0) và thời gian  sẽ có dạng đường th ng và độ dốc k của đường th ng này chính là (D.2/2). Từ đây sẽ tính được giá trị D theo TN: D. 2 (3.63) k 4. 2 Từ (3.63) cho thấy, với trường hợp  = const hay không có CN ta sẽ xác định được giá trị D theo k. Tuy nhiên, nếu trong trường hợp CN xảy ra thì giá trị này lại giảm dần theo  và sẽ đạt nhỏ nhất ở e. Vì vậy, để giải quyết vấn đề này có thể tính Di ở thời điểm i theo biểu thức sau: D  De D  De (3.64) Di  0 ( i   e )  D e  D 0  0 ( 0   i ) 0  e 0  e Trong đó: D0 và De , m2/s là giá trị của hệ số khuếch tán tính theo (3.62) nhưng ở 0 và cb. Như vậy, với cách lập luận như trên, hệ số khuếch tán ẩm D, kích thước  ở bất k thời điểm nào trong QTS thì sẽ tính được hay nói cách khác là ở độ ẩm cuối Mend của QTS có thể tính được và thời gian sấy cũng sẽ xác định được theo FoM. Đây chính là cách giải quyết, hiệu chỉnh cách tính TGS của VLS theo lý thuyết tương tự khi có kể đến CN VLS. 3.4. KẾT LUẬN CHƢƠNG 3. Qua nghiên cứu TNTC trong VLS chúng tôi đi đến 5 kết luận sau đây: 1. Chọn mô hình toán học biểu diễn quá trình TNTC có kể đến ảnh hưởng của CN VLS 2. Trên cơ sở giả thiết sự CN là tuyến tính theo chiều dày của VLS, chúng tôi đưa hệ số tốc độ CN vào mô hình toán học để tính toán. 3. Phân tích và lựa chọn các biểu thức tính toán xác định các thông số nhiệt vật lý của TNS cũng như của cà rốt sấy. 4. Thiết lập hệ phương trình SPHH để giải bài toán TNTC khi tính đến ảnh hưởng của CN VLS. Xây dựng thuật toán để giải hệ phương trình SPHH đó. 5. Đề xuất cách hiệu chỉnh phương pháp xác định TGS theo lý thuyết tương tự. Chƣơng 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIẸM. 4.1.1. Khái niệm về các loại độ ẩm của vật liệu. 4.1.2. Xác định các đại lƣợng trong điều kiện nghiên cứu thực nghiệm. Nội dung của phần này là giới thiệu cách xác định giá trị độ ẩm ban đầu, khối lượng vật liệu khô (VLK), độ ẩm cuối của VLS theo TN. - 10 4.2. MÔ HÌNH THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM HTS BN KIỂU BẬC THANG 4.2.1. HTS BN kiểu bậc thang Nội dung của phần này trình bày khả năng tiết kiệm của HTS BN kiểu bậc thang khi so với chu trình không hoạt động theo kiểu bậc thang và cũng là lý do để chúng tôi xây dựng mô hình TN. HTS BN này được chúng tôi đặt tên là HTS GT-01. 4.2.2. Mô hình thiết bị thí nghiệm HTS GT-01 4.2.2.1 Sơ đồ nguyên lý HTS BN kiểu bậc thang Vòng tuần hoàn TNS trong HTS GT-01 Cũng như HTS BN chỉ có một dàn BH, ở đây TNS là không khí trước tiên đi qua dàn BH được khử ẩm do tiếp xúc với bề mặt dàn BH có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đọng sương và giảm nhiệt độ. Sau đó TNS đi qua dàn NT để thực hiện quá trình đốt nóng đ ng dung ẩm. Điều khác biệt là ở đây sử dụng 2 chu trình lạnh độc lập, không khí lần lượt đi qua dàn BH2 và BH1. Dàn BH2 có nhiệm vụ làm lạnh một phần TNS xuống nhiệt độ điểm sương, nhờ vậy dàn BH1 dành nhiều bề mặt trao đổi nhiệt của nó để thu hồi nhiệt ẩn 4.2.2.2. Lý do sử dụng HTS BN kiểu bậc thang. HTS BN kiểu bậc thang có thể tiết kiệm năng lượng tới gần 25% so với chu trình lạnh thông thường khi dùng 1 bậc thang theo 4.2.1.. Ngoài ra, khi TNS đi qua lần lượt 2 dàn BH, khả năng thu hồi nhiệt và tách ẩm của HTS tăng lên rõ rệt. Theo kết quả nghiên cứu động học sấy và lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS cho thấy HTS BN kiểu bậc thang cũng là một hướng đi để có thể tiết kiệm năng lượng thông qua việc điều chỉnh năng suất nhiệt của HTS. Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lýHTS GT-01 4.2.2.3. Mô hình thiết bị thí nghiệm HTS GT-01 Hình 4.8. Sơ đồ nguyên lý HTS GT-01 kiểu bậc thang 1. Máy nén 2; 4. Dàn bay hơi 2; 7. Máy nén 1; 10. Dàn bay hơi 1; 13. Quạt sơ cấp 1; 16. Quạt bypass; 2. Dàn ngưng chính 2; 5. Van điện từ 2; 8. Dàn ngưng chính 1; 11. Van điện từ 1; 14. Thiết bị sấy; 17. Cân điện tử; 3. Van tiết lưu 2 ; 6. Dàn ngưng phụ 2; 9. Van tiết lưu 1; 12. Dàn ngưng phụ B; 15. Quạt thứ cấp 2; 18.Bình chứa nước ngưng; - 11 - Hình 4.11b. Mô hình thí nghiệm HTS GT-01 Đối với HTS BN việc dừng xả băng là một điều không tránh khỏi, theo [5] quá trình tiến hành liên tục trong 25 phút sau đó dừng nghỉ xả băng 5 phút là hợp lý. Ở đây chúng tôi cũng tiến hành tương tự, cứ 5 phút lấy số liệu một lần và 25 phút hoạt động thì hệ thống sẽ dừng 5 phút. Sau khi máy nén dừng hoạt động số liệu được ghi lại và sau đó thống kê và xử lý trên máy tính bằng chương trình Excel 2010. 4.2.2.4. Bố trí thiết bị đo và lấy số liệu: Phần này trình bày cách bố trí thiết bị đo nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ TNS cũng như đo khối lượng VSL. 4.2.2.5. Khả năng thay đổi chế độ hoạt động của HTS GT-01 Khả năng thay đổi các chế độ hoạt động của HTS GT-01 được thực hiện thông qua các chế độ bật tắt các MN, dàn NT, dàn NP của các BN 1 và BN 2 cho trong bảng 4.3 Bảng 4.3. Các chế độ vận hành HTS GT-01 Hoạt động của các dàn trao đổi nhiệt TT Tên chế độ NT2 NP2 NT1 NP1 BH2 BH1 1 A ON OFF ON OFF ON ON 2 B ON OFF ON ON_KQ ON ON 3 C ON OFF ON ON_CQ ON ON 4 D ON ON_KQ ON ON_KQ ON ON 5 E ON ON_KQ ON ON_CQ ON ON 6 F ON ON_CQ ON ON_CQ ON ON 7 G ON OFF OFF OFF ON OFF 8 H ON ON_KQ OFF OFF ON OFF 9 I ON ON_CQ OFF OFF ON OFF Ghi chú: NT1 – dàn ngưng chính 1; NT2 - dàn ngưng chính 2 ; NP1 - dàn ngưng phụ 1; NP2 - dàn ngưng phụ 2 ; BH1 - dàn bay hơi 1 ; BH2 - dàn bay hơi 2; ON_KQ - bật không dùng quạt; ON_CQ - bật dùng với quạt; ON - Bật; OFF - tắt. 4.3. KẾT LUẬN CHƢƠNG 4 Thông qua nghiên cứu thực nghiệm, chúng tôi rút ra 03 kết luận sau: 1. Xây dựng phương pháp thí nghiệm xác định độ ẩm ban đầu của VLS 2. Xây dựng mô hình thiết bị thí nghiệm HTS BN kiểu bậc thang ký hiệu HTS GT-01 phục vụ nghiên cứu thực nghiệm do luận án đề ra 3. Xây dựng các chế độ vận hành khác nhau theo hướng đảm bảo động học QTS để khảo sát khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS GT-01 - 12 Chƣơng 5 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 5.1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LT TNTC KHI KỂ ĐẾN HIỆN TƢỢNG CN VLS Kết quả giải hệ phương trình TNTC (3.1) được trình bày trong các phụ lục từ 1đến 5, với phạm vi của TNS đã trình bày trong chương 2 bao gồm: độ ẩm tương đối a = 25 ÷ 45%, nhiệt độ ta = 30 ÷ 45oC, tốc độ a = 0,5 ÷ 2,5 m/s, độ ẩm tương đối ban đầu của cà rốt w0 = 80 ÷ 90% hay độ chứa ẩm M0 = 4 ÷ 9 kgâ/kgVLK. Từ TN với chiều dày cà rốt 2 =10 mm, nhiệt độ ban đầu t0 = 28oC đã xác định được hệ số tốc độ CN trung bình tb = 9,091.10-8 m/s và độ chứa ẩm ban đầu của cà rốt M0 = 6,331 kgâ/kgVLK (hay độ ẩm tương đối ban đầu w0 = 86,36%). Từ kết quả giải hệ (3.1) với các số liệu tương ứng với thực nghiệm, chúng tôi tiến hành nghiên cứu các ảnh hưởng sau đây đến độ chứa ẩm và thời gian sấy cà rốt. 5.1.1 Ảnh hƣởng của thông số TNS đến độ chứa ẩm và TGS Qua đồ thị 5.1 cho thấy, ở tốc độ 0,5 m/s các điểm tính toán có xu hướng nằm phía trêncác điểm có tốc độ TNS cao hơn trong khoảng 400 phút đầu. Qua tính toán TGS dài nhất ở 0,5 m/s và ở 2,5 m/s là ngắn nhất. Để đạt tới độ chứa ẩm cuối Mend = 0,105 kgâ/kgVLK ở tốc độ 0,5; 1,5 và 2,5 m/s lần lượt mất 975; 902,5 và 862,5 phút. Khi tăng từ 0,5 m/s lên 1,5 m/s TGS giảm 7,4% nhưng tiếp tục tăng thêm từ 1,5 m/s lên 2,5 m/s thì TGS giảm đi còn 4,4%. Như vậy, cần căn cứ vào sự ảnh hưởng đến khả năng làm việc của các thiết bị trong HTS để xác định giá trị tốc độ TNS phù hợp bởi vì sẽ có giá trị tốc độ TNS mà ở đó nếu tăng thêm cũng Hình 5.1. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a = 35%; ta = 35oC; a = 0,5÷2,5 m/s không làm thay đổi TGS đáng kể nữa. Tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ TNS đến độ chứa ẩm và TGS, chúng tôi cho nhiệt độ TNS thay đổi trong phạm vi từ 30 ÷ 45oC trong khi các điều kiện khác không đổi, kết quả như đồ thị hình 5.2 Sau khoảng 100 phút đầu tiên thì đường cong sấy ở các nhiệt độ khác nhau đã tách ra thành 4 đường riêng biệt. Đường cong biểu diễn sự thay đổi độ ẩm chậm nhất chính là đường nằm trên cùng ứng với nhiệt độ TNS thấp nhất là 30oC, tiếp đến là đường cong biểu diễn QTS ở nhiệt độ 35oC, 40oC và đường dưới cùng ứng với 45oC. Càng về cuối quá trình, các đường cong càng có xu hướng gần vào nhau, rõ rệt nhất là từ phút thứ 600 trở đi. Kết quả tính toán cho thấy, TGS để VLS đạt độ ẩm TB cuối QTS Mend = 0,105 kgâ/kgVLK (độ ẩm tương đối Hình 5.2. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a wend = 9,5%) mất lần lượt 716,5 phút; 805 phút; = 35%; ta = 30÷45oC; a = 1,5 m/s o 902,5 phút và 1019 phút tương ứng ở nhiệt độ TNS 45 C; 40oC; 35oC và 30oC. Như vậy, có thể thấy nhiệt độ TNS có ảnh hưởng rất lớn đến QTS. Sai lệch TGS lớn nhất là 42,2%. Trong khi đó, độ chứa ẩm cần bằng Me tính theo (3.22) ở 30oC và 45oC là 0,095 kgâ/kgVLK và 0,082 kgâ/kgVLK. - 13 Như vậy, sự thay đổi độ chứa ẩm cân bằng từ 30oC lên 45oC bằng (0,095-0,082)/0,095 = 13,7%. Qua tính toán, nếu độ chứa ẩm cân bằng giảm xuống 13,7% thì TGS giảm đi 42,2%. Từ đây có thể nhận xét rằng nhiệt độ của TNS có ảnh hưởng rất lớn đến QTS và nhiệt độ TNS có thể chọn càng cao càng tốt trong khoảng từ 30oC đến 45oC. Tất nhiên việc lựa chọn nhiệt độ TNS phải lưu ý đến các tính chất hóa lý của VLS, sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng và thành phần hóa học của VLS cũng như khả năng làm việc của BN… Độ ẩm tương đối của TNS có ảnh hưởng đến TGS và độ chứa ẩm của VLS cũng được chúng tôi nghiên cứu trong phạm vi từ 25 ÷ 45% khi các điều kiện khác không thay đổi. Kết quả thể hiện trên đồ thị hình 5.3. Đồ thị hình 5.3 thể hiện rằng tuy độ ẩm tương đối của TNS khác nhau nhưng sự thay đổi độ chứa ẩm trong toàn bộ QTS đều có chung một dạng đường cong mà không có tách biệt rõ ràng như đối với trường hợp nhiệt độ của TNS thay đổi. Khi độ ẩm tương đối của TNS càng thấp thì TGS càng ngắn, điều này luôn đúng và kết quả tính toán cũng thể hiện được điều này. Theo số liệu tính toán và như hình 5.4, để độ ẩm cuối đạt đến giá trị Mc = 0,105 (kg/kgVLK) mất 836 phút ở  = 25(%), 902,5 phút ở  = 35 (%) và mất 1192 phút với  = 25(%). Kết quả này đã làm rõ được ảnh hưởng của độ ẩm TNS đến TGS trong khi nếu sử dụng MHKCN, điều này còn chưa được chứng minh một Hình 5.4. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a = 25÷35%; ta = 35oC; a = 1,5 m/s cách rõ ràng. 5.1.2. Ảnh hƣởng của điều kiện ban đầu VLS đến độ chứa ẩm và TGS Cho thay đổi nhiệt độ ban đầu của VLS trong khoảng 24 ÷ 32oC, hay độ chứa ẩm trong khoảng 4,09 ÷ 9,35 kgâ/kgVLK. Các thông số của TNS giữ nguyên không đổi bao gồm ta = 35oC, a = 35%, a = 1,5 m/s. Để tiện theo dõi và nhận xét, chung tôi cũng biểu diễn lần lượt trên hình 5.5 sự thay đổi độ ẩm TB VLS theo thời gian ở các nhiệt độ ban đầu VLS khác nhau và hình 5.6 là thay đổi độ ẩm TB VLS theo thời gian ở các độ ẩm ban đầu khác nhau. Hình 5.5. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a=35(%); ta=35(oC); a =1,5(m/s) và Hình 5.5 thể hiện các đường cong sấy gần như trùng t0 = 28÷32(oC); nhau, sự khác nhau chỉ thể hiện thông qua số liệu tính toán cụ thể, ở 24oC, 28oC và 32oC mất tổng TGS lần lượt là 903 phút; 902,5 phút và 901,5 phút để đạt đến cùng độ ẩm cuối Mend = 0,105 kgâ/kgVLK. Như vậy, trong khoảng nhiệt độ của cà rốt trước khi vào sấy từ 24 ÷ 32oC không làm ảnh hưởng đến QTS. Từ hình 5.6 có thể thấy được rằng nếu sấy cà rốt có các độ ẩm ban đầu khác nhau ở trong cùng một điều kiện của TNS thì diễn biến của QTS không có sự khác nhau. Để đạt tới độ ẩm cuối Hình 5.6. Đường cong osấy của cà rốt ở chế độ a=35%; ta=35 C; a =1,5 m/s và QTSlà Mend = 0,105 kgâ/kgVLK với độ ẩm ban đầu w = 80,34÷90,34% 0 - 14 80,34% mất tổng thời gian sấy là 860 phút trong khi ở 86,34% và 90,34% mất lần lượt là 902,5 và 938 phút. Như vậy, sự chênh lệch về TGS ứng với các giá trị độ ẩm ban đầu của cà rốt sấy là không quá lớn, cụ thể như sự chênh lệch lớn nhất về TGS là 78 phút bằng 9,1%. 5.1.3. Lƣợng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS Sau khi giải hệ phương trình TNTC (3.1), lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS được chúng tôi tính theo biểu thức (3.56) và tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ theo (3.57) như trong chương 3. Kết quả tổng hợp được trình bày trong bảng 5.1 đối với tất cả các trường hợp khác nhau của thông số TNS (ta, a, a) cũng như điều kiện ban đầu (t0, w0) khác nhau củaVLS. Bảng 5.1. Tổng hợp lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS Nhiệt độ TNS ta Lượng nhiệt VLS hấp thụ o C 30 35 40 45 q kJ/m2 271,3 383,5 492,3 602,9 TGS  phút 1019 902,5 805 716,5 Độ ẩm tương đối TNS a % 25 35 45 - Lượng nhiệt VLS hấp thụ q kJ/m2 383,8 383,5 383,1 - TGS  phút 836 902,5 1192 - Tốc độ TNS a m/s 0,5 1,5 2,5 - Lượng nhiệt VLS hấp thụ q kJ/m2 471,2 383,5 295,7 - TGS  phút 975 902,5 862,5 - Nhiệt độ ban đầu VLS tTB C 24 28 32 - Lượng nhiệt VLS hấp thụ q kJ/m2 493,8 383,5 296,1 - TGS  phút 903 902,5 901,5 - Độ ẩm tương đối TB VLS w % 80,34 86,34 90,34 - o Lượng nhiệt VLS hấp thụ q kJ/m 1171,2 1505,1 1947,2 - TGS  phút 860 902,5 938 - 2 Từ bảng 5.1 cho thấy rằng khi độ ẩm của TNS thay đổi, lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS thay đổi rất ít. Và tương tự như khi nhận xét ảnh hưởng của nhiệt độ TNS đến TGS ở trên, khi ta cho nhiệt độ TNS tăng lên, lượng nhiệt VLS hấp thụ cũng tăng theo và TGS sẽ giảm xuống. Do đó nên lựa chọn nhiệt độ TNS càng cao càng tốt trong phạm vi 30÷45oC, độ ẩm tương đối cũng như tốc độ của TNS cần dựa trên các điều kiện phù hợp với phạm vi làm việc của HTS. Điều đó cũng đảm bảo cung cấp nhiệt cho VLS nhanh nhất theo tính toán lượng nhiệt VLS hấp thụ. Mặt khác khi xem xét lượng nhiệt VLS hấp thụ ở các điều kiện ban đầu khác nhau của VLS chúng tôi thấy sự khác nhau rõ ràng. Nếu nhiệt độ ban đầu của VLS tăng lên thì lượng nhiệt VLS hấp thụ sẽ giảm đi và ngược lại khi độ ẩm ban đầu của VLS tăng lên thì lượng nhiệt do VLS hấp thụ cũng sẽ tăng lên theo. Điều đó phản ánh đúng thực tế do sự chênh lệch nhiệt độ giữa VLS và TNS càng lớn thì lượng nhiệt cung cấp cho VLS càng nhiều để tiệm cận nhiệt độ của VLS. Bên cạnh đó nếu độ ẩm ban đầu của VLS tăng lên thì lượng nhiệt cung cấp cho VLS cần nhiều hơn. Như vậy, dựa trên kết quả NC sự ảnh hưởng của các thông số TNS và điều kiện ban đầu của VLS đến TGS và QTS, chúng tôi lựa chọn các thông số để nghiên cứu động học QTS như sau: TNS có a = 35%, ta = 35oC, a = 1,5 m/s, VLS có t0 = 28oC, w0 = 86,4% hay độ chứa ẩm ban đầu M0 = 6,33 kgâ/kgVLK. Kết quả nghiên cứu động học QTS sẽ được trình bày trong mục tiếp theo - 15 5.1.4. Động học QTS 5.1.4.1. Đƣờng cong sấy Từ đồ thị hình 5.7 thấy rằng không tồn tại giai đoạn tốc độ sấy không đổi đối với cà rốt trong điều kiện nghiên cứu. Toàn bộ QTS nằm trong giai đoạn tốc độ sấy giảm dần, điều này cũng phù hợp với nhận xét của một số công trình trong và ngoài nước. Đối với mô hình toán học (3.1) đã trình bày ở chương 3, kết quả tính toán đã phản ánh được diễn biến QTS theo lý thuyết cơ sở của kỹ thuật sấy chứng tỏ MHCN đã đáp ứng được yêu cầu để nghiên cứu LT. 5.1.4.2 Đƣờng cong nhiệt độ sấy Đặc trưng cho tính chất keo xốp mao dẫn và đặc biệt là ở giai đoạn tốc độ sấy giảm dần, nhiệt độ tại tâm tc có xu hướng tiến đến gần nhiệt độ tại bề mặt, điều này cũng tương tự như nhận xét trong một số tài liệu đã công bố. Mặt khác, trên đồ thị hình 5.8 xuất hiện khoảng thời gian đầu tiên có sự giảm nhiệt độ ở cả tâm và bề mặt của VLS nhưng thời gian này rất ngắn và sau đó cả bề mặt và tâm VLS đều tăng nhiệt độ. Theo phân tích sự thay đổi nhiệt độ trong QTS, việc tăng nhiệt độ ở cả tâm và bề mặt VLS chứng tỏ sự bắt đầu của giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Để xác định rõ thời điểm bắt đầu giai đoạn tốc độ sấy giảm dần, chúng tôi biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ tại tâm tc và thay đổi nhiệt độ tại bề mặt tb của VLS theo thời gian ở 5 phút đầu tiên của QTS như trên hình 5.9. Trên hình 5.9 đã thể hiện giai đoạn tốc độ sấy giảm dần bắt đầu ở phút thứ 2,5 trở đi (khi nhiệt độ ở tâm tc và nhiệt độ bề mặt tb cùng tăng). Để nghiên cứu toàn bộ sự thay đổi nhiệt độ của VLS theo thời gian, chúng tôi biểu diễn đường thay đổi nhiệt độ tại tâm tc, tại bề mặt tb và nhiệt độ TB VLS trên cùng một đồ thị hình 5.10. Từ kết quả tính toán và hình 5.10 cho thấy, trong khoảng 50 phút đầu, nhiệt độ của VLS tăng nhanh và sau đó tăng chậm dần, nhiệt độ tại bề mặt lúc này là 33,85(oC) trong khi tại tâm là 33,78(oC), nhiệt độ TB VLS là 33,8(oC). Nếu tổng TGS là 902,5 phút để độ ẩm đạt đến giá trị Mend = 0,105 kgâ/kgVLK (hay wend = 9,5% thì chỉ mất có 50 phút để nhiệt độ của VLS tăng lên 5,85oC nhưng còn lại 855,5 phút (chiếm 94,47% tổng TGS) để nhiệt độ VLS tăng lên thêm khoảng Hình 5.7. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a=35%; ta=35oC; a =1,5 m/s ts ttc Hình 5.8. Đường cong nhiệt độ sấy của cà rốt ở chế độ 35oC;1,5 m/s;35% ts Hình 5.9. Đường cong nhiệt độ sấy của cà rốt ở chế độ 35oC;1,5 m/s;35% trong 5 phút đầu . ttb ts tc Hình 5.10. Thay đổi nhiệt độ tại tâm tc, bề mặt ts và nhiệt độ TB của cà rốt ttb theo thời gian ở chế độ 35oC;1,5m/s;35% - 16 . 1,21oC. Như vậy, lượng nhiệt từ TNS truyền vào VLS chỉ để làm biến lỏng trong VLS thành hơi mà hầu như không làm thay đổi nhiệt độ của VLS. Hình dạng đường thay đổi nhiệt độ ở đây đã phản ánh giống như đường biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ trong QTS như trong các tài liệu về KTS. 5.1.4.3 Đƣờng cong tốc độ sấy Hình 5.11 thể hiện rõ rằng đường cong tốc độ sấy cũng chỉ xác định một chế độ tốc độ sấy giảm dần mà không tồn tại giai đoạn tốc độ sấy không đổi và giai đoạn đốt nóng. Trên đồ thị có tồn tại một điểm uốn, đây chính là điểm tới hạn thứ 2 theo cách gọi của Trần Văn Phú. Đường cong này cũng có cùng với đặc tính của đường cong đặc trưng cho vật liệu ẩm có cấu trúc dạng Hình 5.11. Đường cong tốc độ sấy của cà rốt keo xốp mao dẫn phổ biến như các loại nông sản ở chế độ a=35%; ta=35oC; a =1,5 m/s 5.1.4.4. Lƣợng nhiệt VLS hấp thụ Nghiên cứu lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS có thể giúp chúng tôi hiểu được quá trình trao đổi nhiệt giữa TNS và VLS cũng như cung cấp thêm thông tin để đưa ra giải pháp trong quá trình vận hành HTS sao cho có lợi nhất về mặt năng lượng. Chúng tôi biểu diễn kết quả tính toán lượng nhiệt VLS hấp thụ theo biểu thức (3.56), (3.57) trên đồ thị hình 5.12, hình 5.13 Hình 5.12. Lượng nhiệt VLS hấp thụ theo thơi gian ở chế độ ta = 35oC; a = 1,5 m/s;a = 35%. Hình 5.13. Tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ theo thơi gian ở chế độ ta = 35oC; a = 1,5 m/s;a = 35%. Từ hình 5.12 cho thấy trong thời gian đầu QTS, khoảng 50 phút đầu tiên lượng nhiệt VLS hấp thụ ứng với từng bước thời gian  tăng rất nhanh. Ví dụ như trong khoảng  từ phút thứ 1 đến phút thứ 1,5 lượng nhiệt VLS nhận được là 3,056 kJ/m2. Sau đó lượng nhiệt VLS hấp thụ trong các bước  tiếp theo có xu hướng giảm dần, như ở phút 12 đến 12,5 VLS chỉ còn nhận được 2,737 kJ/m2 hay ở phút thứ 24,5 đến 25 là 1,657 kJ/m2. Ta thấy, nếu TGS càng tăng thì lượng nhiệt VLS hấp thụ trong bước  càng giảm. Ở cuối QTS, do lúc này sự chênh lệch nhiệt độ giữa VLS và TNS còn rất nhỏ nên lượng nhiệt VLS nhận được cũng giảm đi và tiến dần đến 0. Như vậy, trong khoảng 100 phút đầu của QTS, lượng nhiệt VLS hấp thụ trong mỗi bước  có sự thay đổi đáng kể. Tuy nhiên, trên hình 5.13 thể hiện rằng tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ đến phút 100 là 228,1 kJ/m2 trong khi toàn bộ QTS cần 383,5 kJ/m2, như vậy sau 100 phút giá trị này đã đạt 59,5%. Mặt khác, tổng TGS theo tính toán là 902,5 phút để độ chứa ẩm TB VLS giảm từ M0 = 6,331 kgâ/kgVLK xuống còn Me = 0,1 kgâ/kgVLK nhưng sau 100 phút độ chứa ẩm mới giảm xuống 3,546 kgâ/kgVLK chiếm 56,9% trên tổng lượng ẩm cần giảm xuống. Ở đây có sự tương đồng về tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ so với sự giảm độ chứa ẩm TB VLS. Trong khí đó, TGS mới chỉ mất 100 phút chiếm 11,1% trong tổng số 902,5 phút để hoàn thành QTS. Điều đó có nghĩa là mất gần 90% tổng TGS để tách đi hơn 40% độ ẩm còn lại trong VLS.