..
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
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT
HÀ NỘI - 2014
Công trình được hoàn thành tại:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC LỢI
2. GS. TSKH. TRẦN VĂN PHÚ
Phản biện 1: PGS.TS. Trương Duy Nghĩa
Phản biện 2: PGS.TS. Vũ Duy Trường
Phản biện 3: GS.TSKH. Nguyễn Minh Tuyển
Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ cấp Trường
họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Vào hồi …….. giờ, ngày ….. tháng ….. năm ………
Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện:
1. Thư viện Tạ Quang Bửu - Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia
-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 (HTS)
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 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 nguyên
nhân 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 TƯỢNG 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.
PHƯƠNG 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, TN 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 BN, làm tiền đề
cho nghiên cứu mở rộng và áp dụng với 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 có
liên quan đến nội dung NC và đề xuất 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 NC tiếp theo.
Chương 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, chúng tôi thấy rằng vẫn còn cần nghiên cứu xem xét 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 phù hợp nhằm đảm bảo được việc cấp nhiệt đáp ứng được tốt nhất cho VLS mà vẫn tránh
được sự lãng phí năng lượng. Vì vậy, vấn đề nghiên cứu động học QTS của vật liệu nhằm tìm ra
-3điều kiện thích hợp cho quá trình cấp cũng như thải nhiệt ra môi trường là rất cần thiết.
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 tượng 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 phương 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 CHƯƠNG 1
Từ những tổng quan trên, chúng tôi đề xuất các vấn đề cần giải quyết của luận án như sau:
1. 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.
2. 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 so với TN do bỏ qua hiện tượng này.
3. Đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS BN kiểu bậc thang.
Chương 2
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. VẬT LIỆU NGHIÊN CỨU
Vật liệu NC 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, nó có chứa nhiều các hàm lượng chất dinh dưỡng,
các thông số nhiệt vật lý đã được NC 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 và đánh giá so với kết quả NC của luận án. Ngoài ra, với phạm vi thông số của sấy BN, cà rốt
sau khi sấy có rất nhiều ưu điểm về chất lượng, màu sắc, mùi vị…
2.2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU.
Phương pháp nghiên cứu lựa chọn ở đây là PP NC LT kết hợp với PP NC TN.
-42.2.1. Phương 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, hệ số khuếch tán hiệu quả…được tính toán
theo sự thay đổi 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 NC đã
công bố trong nước bao gồm: nhiệt độ TNS ta: 30 ÷ 45oC; độ ẩm TNS a: 25 ÷ 45%; tốc độ TNS
a: 0,5÷2,5 m/s. Với phạm vi này sẽ cho cà rốt sấy đảm bảo về mặt chất lượng, cảm quan và hàm
lượng β-carotene cao nhất.
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
Mô hình TN 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 thống 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 TN 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 TN 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 TN, chúng tôi tiến hành mỗi TN 3 lần, kết quả để đối chiếu so sánh với
lý thuyết là trung bình của 3 lần TN 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 phương RMSE và sai số tuyệt
đối trung bình MAE. Giá trị RMSE và MAE càng nhỏ thì số liệu càng gần đúng với TN hơn.
2.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2
Trong chương này, chúng tôi đã xác định VLS đại diện để NC quá trình TNTC là cà rốt dạng
thái lát có kích thước chiều dày là 2 = 10mm. Xác định phạm vi NC của các thông số liên quan
đến QTS cũng như sử dụng phương pháp SPHH để giải hệ phương trình TNTC khi xét đến hiện
-5tượng 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.
Chương 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 x
a, ta, a
s
sát như sau:
TNS có nhiệt độ ta, tốc độ a và độ ẩm
xs
1
tương đối a thực hiện quá trình trao đổi
x1
2
nhiệt ẩm tại bề mặt VLS. VLS có chiều
x2
dày 2 được đặt trong TBS sao cho sự trao
3
đổi nhiệt ẩm đồng đều ở cả 2 mặt. Hiện
x3
tượng dẫn nhiệt được thực hiện khi VLS
4
hấp thụ nhiệt từ TNS qua bề mặt làm cho
x4
c
nhiệt độ của VLS tăng dần lên, độ ẩm của 0
VLS bắt đầu giảm do sự dịch chuyển dần Hình 3.1. Mô hình vật lý và bước chia sai phân
từ trong lòng ra bề mặt và được TNS mang một nửa bề dày tấm VLS
ra ngoài qua hệ số trao đổi ẩm trung bình Mô hình toán học của mô hình vật lý trên hình 3.1 là:
tại bề mặt M. Khi QTS bắt đầu thì sự dịch t t 1 .(t ) r.s . M
x
x .C p
.C p
chuyển của bề mặt VLS dần vào phía tâm
(3.2)
M
cũng bắt đầu xảy ra. Chiều dày cuối QTS M
x
D(T ). 2 M
x
của VLS sẽ bằng chiều dày của VLS ở điều
kiện cân bằng e. Do hiện tượng 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. Vì vậy, chúng tôi bổ
sung ảnh hưởng của sự CN 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, , s - thời gian, r
kJ/kg - nhiệt ẩn hóa hơi của nước. 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 (3.2) bao gồm:
`
- Điều kiện ban đầu: t(x, 0) = t0;
M(x, 0) = M0
(3.3)
-6- Điều kiện đối xứng:
t
0
x x 0
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
C p x t x xs
x M x x M (M M e ) x x
s
x xs
(3.5)
x xs
(3.6)
s
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. PHƯƠNG 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 kỳ:
x
(3.7)
trong đó: 0, m/s - tốc độ CN tại bề mặt của VLS.
0 e
tb
Tốc độ CN trung bình tb của VLS trong QTS bằng:
(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.
Nếu ta 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:
stb
3
tb
x s 0 x s e
x 3 0 x 3 e
0 ; 1tb
x1 0 x1 e
x 2 0 x 2 e 3
4
0 ; 2tb
0
5
5
x 4 0 x 4 e 1
2
0 ; 4tb
0
5
5
4
4
x x
i 0
Từ (3.7), (3.8), (3.9) ta được:
i s
(3.9)
i e
4
i
tb
i s
30
(3.10)
i s
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 NC 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 nhiều tác giả 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 dẫn nhiệt của cà rốt , W/mK
λ (t) =x w λ w +x p λ p +x F λ F +x Fi λ Fi +x CHO λ 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 lượng riêng của cà rốt M, kg/m3
1 M
1 M
M
(3.22)
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 cân bằng của cà rốt Me, kgâ/kgVLK
( t 273 )1, 363
5203
1
0 , 775
M e
ln1
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
D 1,0355.10 5 exp
(3.29)
3
8,314.10 .T
3.2.4. Xác định hệ số trao đổi nhiệt và trao đổi chất đối lưu
3.2.4.1. Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu 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 phẳng 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 lưu 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
D
truyền chất và cuối cùng ta thu được biểu thức: M y L 0, 664 Re1/ 2 Sc1/3 a
(3.37)
L
3.2.5. Giải hệ phương trình (3.2) bằng 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 PP SPHH 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 105 ). 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
m
s
V Vin Vcm
in 0
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
Vsm t sm Vim t im Vcm t cm
i 0
4
m
s
V Vin Vcm
in 0
x m
x
4
t sm
0 m (x xin (m))t inm
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 PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG TỰ XÁC ĐỊNH TGS
Theo lý thuyết tương tự để xác định TGS đã trình bày trong 1.3.3, việc xác định các đại lượng
như độ ẩm đầu, độ ẩm cuối, độ ẩm cân bằng, hệ số trao đổi ẩm và đặc biệt là hệ số khuếch tán ẩm
của VLS rất quan trọng vì chúng 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:
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 ảnh hưởng rất lớn đến kết quả tính toán. Đặc biệt trong
trường hợp kể đến ảnh hưởng của sự CN VLS, kích thước VLS sau QTS có sự thay đổi khá lớn.
Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán và kích thước của VLS khi tính đến hiện tượng CN thể hiện trong
FoM, đại lượng tìm được nhờ phương pháp tương tự:
D.
Fo M 2
(3.59)
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 TN tương 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 CN của VLS. Ở đây, dựa vào TN, 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
i 0 i. 0
(3.60)
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:
= f(M)
(3.61)
-9Việc tiếp theo là cần xác định giá trị của D theo số liệu TN QTS, Nghiệm của quá trình trao đổi
ẩm đối với tấm phẳng trong trường hợp không CN và D không đổi có dạng:
M
8
D. 2
(3.62)
ln
ln( 2 )
M0
4. 2
Dựa vào số liệu TN, quan hệ giữa ln(M/M0) và thời gian sẽ có dạng đường thẳng và độ dốc k
của đường thẳng 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 e. Như
vậy, với cách lập luận như trên, hệ số khuếch tán ẩm D, kích thước ở bất kỳ 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 CHƯƠNG 3.
Qua nghiên cứu TNTC trong VLS chúng tôi đi đến 5 kết luận sau đây:
1. Chọn được 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 đã 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.
Chương 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 lượng 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.
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.
- 10 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
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 đẳng 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.Mục tiêu của HTS BN kiểu bậc thang
HTS BN kiểu bậc thang có thể tiết kiệm NL 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 NL thông
qua việc điều chỉnh năng suất nhiệt của HTS.
Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý HTS GT-01
4.2.2.3. Mô hình thiết bị thí nghiệm HTS GT-01
Sơ đồ nguyên lý của mô hình thí nghiệm HTS GT-01 và hình ảnh của mô hình được chúng tôi
giới thiệu trong hình 4.8 và hình 4.11b.
Hình 4.8. Sơ đồ nguyên lý của mô hình TN HTS GT-01
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 1
15. Quạt thứ cấp 2
18. Bình chứa nước ngưng
- 11 -
Hình 4.11b. Mô hình thí nghiệm HTS GT-01
Theo một số tác giả, đối với HTS BN việc dừng xả băng là cần thiết và 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 ta, a, a 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
TT Tên chế độ
1
2
3
4
5
6
7
8
9
A
B
C
D
E
F
G
H
I
Hoạt động của các dàn trao đổi nhiệt
NT2
ON
ON
ON
ON
ON
ON
ON
ON
ON
NP2
OFF
OFF
OFF
ON_KQ
ON_KQ
ON_CQ
OFF
ON_KQ
ON_CQ
NT1
ON
ON
ON
ON
ON
ON
OFF
OFF
OFF
NP1
BH2 BH1
OFF
ON ON
ON_KQ ON ON
ON_CQ ON ON
ON_KQ ON ON
ON_CQ ON ON
ON_CQ ON ON
OFF
ON OFF
OFF
ON 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 CHƯƠNG 4
Thông qua nghiên cứu thực nghiệm, chúng tôi rút ra 03 kết luận sau:
1. Xác định 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 Chương 5
KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN
5.1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LT TNTC KHI KỂ ĐẾN HIỆN TƯỢNG CN VLS
Hệ phương trình TNTC (3.2) được chúng tôi giải với các số liệu đầu vào 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
w0 = 86,36%). Từ kết quả giải hệ (3.2) với các số liệu tương ứng với TN, chúng tôi tiến hành NC
các ảnh hưởng sau đây đến độ chứa ẩm và TGS cà rốt.
5.1.1 Ảnh hưởng của thông số TNS đến độ chứa ẩm và TGS
Đồ thị hình 5.1 cho thấy, ở tốc độ 0,5 m/s các
giá trị độ chứa ẩm trung bình (TB) VLS nằm ở
phía trên các 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 Mend = 0,105 kgâ/kgVLK lần lượt mất
975; 902,5 và 862,5 phút ở tốc độ 0,5; 1,5 và 2,5
m/s. 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 chỉ giảm được 4,4%. Như vậy, cần
căn cứ vào sự ảnh hưởng đến khả năng làm việc Hình 5.1. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ
o
của các thiết bị trong HTS để xác định giá trị tốc a = 35%; ta = 35 C; a = 0,5÷2,5 m/s
độ TNS phù hợp bởi vì sẽ có giá trị tốc độ TNS mà ở đó nếu tăng thêm cũng không làm thay đổi
đáng kể TGS 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, 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 (wend = 9,5%) mất Hình 5.2. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ
a = 35%; ta = 30÷45oC; a = 1,5 m/s
lần lượt 716,5; 805; 902,5và 1019 phút tương ứng
ở nhiệt độ TNS 45; 40; 35 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. 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
- 13 giảm xuống 13,7% thì TGS giảm đi 42,2%. Từ đây ta 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 khi lựa chọn nhiệt độ TNS, chúng ta 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 cho thấy
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 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. Để thấy được rõ
sự khác nhau, chúng tôi biểu diễn đường cong sấy ở
nửa cuối QTS trên đồ thì hình 5.4. Theo số liệu tính
toán và như hình 5.4, để độ ẩm cuối đạt đến giá trị
Mend = 0,105 kg/kgVLK mất 836 phút ở = 25%,
902,5 phút ở = 35% và mất 1192 phút với =
Hình 5.4. Đường cong sấy của cà rốt ở chế
25%. Kết quả này đã làm rõ được ảnh hưởng của độ
độ a = 25÷35%; ta = 35oC; a = 1,5 m/s
ẩm TNS đến TGS trong khi nếu sử dụng MHKCN, điều này còn chưa được chứng minh rõ ràng.
5.1.2. Ảnh hưởng của điều kiện ban đầu VLS đến độ chứa ẩm và TGS
Nhằm đánh giá ảnh hưởng của điều kiện ban
đầu của VLS đến sự thay đổi độ ẩm và TGS, chúng
tôi cho thay đổi nhiệt độ ban đầu của VLS trong
khoảng 24 ÷ 32oC; độ chứa ẩm ban đầu VLS biến
thiên trong khoảng 4,09 ÷ 9,35 kgâ/kgVLK (hay w0
= 80,34÷90,34%). 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, chúng tôi
cũng biểu diễn lần lượt trên hình 5.5 sự thay đổi độ Hình 5.5. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ
o
o
ẩm TB VLS theo thời gian ở các nhiệt độ ban đầu a=35%; ta=35 C; a =1,5m/s và t0 = 28÷32 C
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 thể hiện các đường cong sấy gần như trùng
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 độ ẩm cuối Mend = 0,105 kgâ/kgVLK.
Như vậy, với khoảng nhiệt độ của cà rốt trước khi
cong sấy của cà rốt ở chế độ
vào sấy từ 24 ÷ 32oC sẽ không làm ảnh hưởng đến Hình 5.6. Đường
a=35%;ta=35oC;a=1,5m/s và w0= 80,3÷90,3%
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 QTS là Mend = 0,105 kgâ/kgVLK với độ ẩm ban đầu
- 14 80,34% mất TGS 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. Lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS
Sau khi giải hệ phương trình TNTC (3.2), lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS được chúng tôi
tính theo biểu thức (3.57) như trong chương 3 đã trình bày. 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
o
C
2
30
35
40
45
Lượng nhiệt VLS hấp thụ
q
kJ/m
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
-
2
Lượng nhiệt VLS hấp thụ
q
kJ/m
383,8
383,5
383,1
-
TGS
phút
836
902,5
1192
-
Tốc độ TNS
a
m/s
0,5
1,5
2,5
-
2
Lượng nhiệt VLS hấp thụ
q
kJ/m
471,2
383,5
295,7
-
TGS
phút
975
902,5
862,5
-
24
28
32
-
Nhiệt độ ban đầu VLS
tTB
o
C
2
Lượng nhiệt VLS hấp thụ
q
kJ/m
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
-
Lượng nhiệt VLS hấp thụ
q
kJ/m2
1171,2
1505,1
1947,2
-
TGS
phút
860
902,5
938
-
Từ bảng 5.1 chúng tôi nhận thấy 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
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.
Tóm lại, 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 NC 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. Đường cong sấy
Từ đồ thị hình 5.7 chúng tôi thấy rằng không
tồn tại giai đoạn tốc độ sấy không đổi khi sấy cà
rốt trong điều kiện NC. 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 đã công bố
trong và ngoài nước. Đối với mô hình toán học
(3.2) 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.
Hình 5.7. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ
a=35%; ta=35oC; a =1,5 m/s
5.1.4.2 Đường 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 giống 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
ttcc
ts
VLS đều tăng nhiệt độ. Theo phân tích sự thay đổi
nhiệt độ trong QTS, việc tăng nhiệt độ ở cả tâm và
Hình 5.8. Đường cong nhiệt độ sấy của cà rốt
bề mặt VLS chứng tỏ sự bắt đầu của giai đoạn tốc
ở chế độ 35oC;1,5 m/s;35%
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 ts 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 ts cùng tăng). Để NC toàn bộ sự thay
ts
đổi nhiệt độ của VLS theo thời gian, chúng tôi
Hình 5.9. Đường cong nhiệt độ sấy của cà rốt
biểu diễn đường thay đổi nhiệt độ tại tâm tc, tại bề
ở
chế độ 35oC;1,5 m/s;35% trong 5 phút đầu .
mặt ts 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 33,9oC trong khi tại tâm là
33,7oC, nhiệt độ TB VLS là 33,8oC. Nếu tổng
TGS là 902,5 phút để độ ẩm đạt đến giá trị Mend =
0,105 kgâ/kgVLK (hay wend = 9,5%) thì quá trình
ts
ttb
tc
chỉ mất có 50 phút để nhiệt độ của VLS tăng lên
5,9oC nhưng còn lại 855,5 phút (chiếm 94,47% 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
tổng TGS) để nhiệt độ VLS tăng lên thêm khoảng chế độ 35oC;1,5m/s;35%
- 16 o
1,2 C. 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 Đường 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 một số tác giả. 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. Lượng 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 (3.57) trên đồ thị hình 5.12, hình 5.13
Hình 5.12. Lượng nhiệt VLS hấp thụ theo thời
gian ở chế độ ta = 35oC; a = 1,5 m/s;a = 35%.
Hình 5.13. Tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ theo thời
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 Mend = 0,105 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. Bên cạnh 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.
Qua nghiên cứu về lượng nhiệt VLS hấp thụ chúng tôi thấy tồn tại vấn đề cần giải quyết đó là
- 17 do lượng nhiệt VLS hấp thụ giảm dần theo thời gian nhưng rất cần tập trung ở giai đoạn đầu QTS.
Vì vậy, cần có biện pháp tăng cường cấp nhiệt cho VLS trong giai đoạn này. Cùng với đó, chúng ta
cũng phải có biện pháp giảm dần sự cấp nhiệt cho VLS ở giai đoạn sau, nhất là ở cuối QTS. Đối với
HTS BN vấn đề này rất quan trọng khi sử dụng sấy mẻ tuần hoàn kín và ở nhiệt độ TNS cao hơn
nhiệt độ môi trường. Do đó, ở phần tiếp theo chúng tôi đề xuất một phương án vận hành HTS BN
kiểu bậc thang để giải lượng nhiệt thừa ra khỏi hệ thống một cách có lợi về mặt năng lượng.
5.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
5.2.1 Xác định các thông số của VLS và TNS để tính lý thuyết theo giá trị TN
Qua 9 TN từ A đến I, chúng tôi lựa chọn TN hoạt động theo chế độ C để làm các thông số cơ
sở cho tính toán lý thuyết. Hệ phương trình TNTC (3.2) ở các trường hợp có kể đến CN VLS và
không xét đến CN VLS sẽ được tính với các giá trị theo TN ở chế độ C như sau:
1. Vật liệu sấy: Chiều dày 20 = 10mm; đường kính L = 50mm; Độ chứa ẩm ban đầu TB VLS M0 =
6,33 kgâ/kgVLK hay w0 = 86,4%; Độ chứa ẩm cuối TB VLS Mend =0,136 kgâ/kgVLK ứng với wend
= 12% (theo một số tài liệu, giá trị độ ẩm bảo quản của cà rốt sấy là 12% nên ở đây chúng tôi
chọn giá trị cuối của QTS là 12%); Độ chứa ẩm cân bằng VLS Me = 0,1 kgâ/kgVLK tương đương
we= 9,1% ; Nhiệt độ ban đầu của VLS t0 = 28oC; chiều dày kết thúc QTS (trạng thái cân bằng) 2e =
4 mm; tốc độ CN VLS tb=9,091.10-8 m/s. Tổng thời gian sấy là 550 phút để đạt đến trạng thái cân
bằng (we= 9,1%) và mất 535 phút để độ ẩm cà rốt sấy đạt wend = 12%.
2. Tác nhân sấy: nhiệt độ ta = 43,9oC; tốc độ a = 1,5 m/s và độ ẩm a = 46,5%
Dựa vào các thông số trên, chúng tôi giải hệ phương trinh TNTC (3.2) bằng phương pháp
SPHH, tiến hành tính toán với MHKCN khi tốc độ CN tb = 0 và MHCN khi tb=9,091.10-8 m/s.
5.2.2. Đánh giá độ chính xác của MHCN so với TN
5.2.2.1. Đánh giá theo sự thay đổi độ ẩm tương đối VLS
Kết quả giải hệ phương trình TNTC (3.2) với các điều kiện đơn trị tương ứng với MHCN và
MHKCN được chúng tôi sử dụng để đánh giá mức độ phù hợp với số liệu từ NC TN. Số liệu tính
toán lý thuyết và số liệu TN biểu diễn sự thay đổi độ ẩm tương đối TB của VLS trong QTS được
trình bày trong bảng 5.2.
Bảng 5.2. Kết quả TN và tính toán lý thuyết độ ẩm tương đối TB VLS
TGS MHCN
, phút w, %
0
25
50
75
100
125
150
175
200
225
250
275
86,4
83,2
80,7
78,1
75,3
72,2
68,9
65,2
61,3
57,1
52,7
48,2
MHKCN
w, %
TN
w, %
TGS
, phút
86,4
83,2
80,7
78,2
75,6
72,8
69,9
66,8
63,6
60,3
57,0
53,6
86,4
85,0
83,5
81,5
79,3
76,8
74,2
71,1
68,5
65,7
62,1
57,9
300
325
350
375
400
425
450
475
500
525
530
535
MHCN MHKCN
w, %
w, %
43,8
39,3
35,1
31,1
27,4
24,1
21,2
18,7
16,6
14,8
14,5
14,3
50,2
46,8
43,6
40,4
37,4
34,5
31,9
29,4
27,1
25,0
24,7
24,3
TN
w, %
TGS
, phút
MHCN
w, %
MHKCN
w, %
TN
w, %
53,4
48,3
42,7
37,4
32,5
27,8
22,9
18,8
15,3
13,3
12,5
12,2
540
545
550
575
600
625
650
675
700
725
750
775
14,0
13,7
13,4
12,0
-
23,9
23,5
23,2
21,5
19,9
18,6
17,4
16,3
15,3
14,5
13,3
12,0
10,8
9,9
9,1
-
Sự thay đổi độ ẩm tương đối TB VLS theo thời gian từ TN, từ kết quả tính toán MHCN và
MHKCN cũng được chúng tôi biểu diễn trên đồ thị hình 5.14. Từ bảng 5.2 và đồ thị hình 5.14 cho
thấy kết quả tính toán giữa mô hình lý thuyết MHCN và TN đã tương đối gần nhau ở điểm cuối
- 18 trong khi mô hình MHKCN có điểm cuối rất xa trên
trục thời gian. Như vậy có thể thấy rằng MHCN đã
thể hiện được quá trình biến đổi độ ẩm trong VLS
khá phù hợp với TN. Sự phù hợp này còn được đánh
giá qua hệ số MAE = 10,5%, RMSE = 0,06 ở
MHCN trong khi hệ số MAE = 18,2% và RMSE =
0,06 ở MHKCN. Khi so sánh về TGS ta thấy kết quả
TN biểu thị VLS có độ ẩm tương đối TB là 12% ở
phút 535 trong khi tính toán MHCN cho giá trị 12%
ở phút 575 và MHKCN cho giá trị 12% sau 775
phút. Sai lệch về TGS dựa trên kết quả TN và tính
Hình 5.14. So sánh kết quả thí nghiệm và tính
toán lý thuyết lần lượt là 7,5% ở MHCN và 44,9% ở
toán lý thuyết với MHCN và MHKCN ở chế độ
43,90C; 46,5%; 1,5 m/s
MHKCN. Qua đó, chúng tôi rút ra nhận xét rằng nếu
chỉ dựa vào giá trị độ ẩm wend = 12% ở các trường hợp tính toán với MHCN và MHKCN theo TN
thì kết quả chưa thể hiện sự khác biệt rõ về ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS. Trong khi đó, nếu
bỏ qua hiện tượng CN VLS thì TGS sẽ tăng thêm 240 phút tức là tăng thêm 44,9%. Tóm lại, đối với
VLS là cà rốt dạng lát mỏng, nếu sử dụng MHKCN là không phù hợp và cần phải sử dụng MHCN
trong nghiên cứu TNTC như QTS ở đây.
5.2.2.2. Đánh giá theo sự thay đổi khối lượng VLS
Từ đồ thị hình 5.15 cho thấy, sự sai lệch về
TGS ở MHCN và TN là không lớn, tương tự như
kết luận khi NC sự thay đổi độ ẩm tương đối TB
VLS theo TGS ở trên. Sai lệch về TGS để khối
lượng VLS đạt đến giá trị 0,15 kgVLÂ thì mất lần
lượt là 575 phút, 775 phút và 535 phút ứng với
MHCN, MHKCN và TN. Sau khi đánh giá sự thay
đổi khối lượng và độ ẩm tương đối của VLS theo
thời gian ở MHCN và MHKCN với TN, chúng tôi Hình 5.15. Đường cong thay đổi khối lượng VLS giữa
thấy rằng trong trường hợp nghiên cứu TNTC của thí nghiệm và lý thuyết ở chế độ 43,90C; 46,5%; 1,5m/s
VLS dạng tấm phẳng như cà rốt dạng thái lát, nếu bỏ qua ảnh hưởng của sự CN VLS sẽ gặp sai số
tương đối lớn về TGS. Và để giảm sai số về tính toán TGS, cần thiết phải xét đến hiện tượng CN
VLS.
5.2.2.3. Đánh giá theo tốc độ sấy
Tốc độ sấy là đại lượng biểu thị quan hệ giữa
sự giảm ẩm theo thời gian và độ chứa ẩm của VLS.
Sự phù hợp của MHCN và MHKCN với TN cũng
được chúng tôi đánh giá thông qua tốc độ sấy hình
5.16. Đường cong tốc độ sấy trên hình 5.16 cho
thấy các giá trị của MHCN đã tiến đến gần hơn với
giá trị của TN trong phạm vi độ chứa ẩm M = 0,1
÷ 4,4 kgâ/kgVLK. Tốc độ sấy của MHCN đã nằm
giữa giá trị tốc độ sấy của MHKCN và TN. Đó
Hình 5.16. Đường cong tốc độ sấy của MHCN,
MHKCN và TN ở chế độ ta = 43,9oC; a = 46,5%;
cũng là phần lớn thời gian của QTS và nó chiếm
a = 1,5 m/s
đến hơn 85% tổng TGS. Đồ thị hình 5.16 cũng
- Xem thêm -
.PDF 
27 
3 
118 
