Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường đến hiệu suất lò sấy gỗ sử dụng năng lượng mặt trời

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:76

Thêm vào BST

Báo xấu

46
lượt xem 14
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Hóa học "Nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường đến hiệu suất lò sấy gỗ sử dụng năng lượng mặt trời" trình bày các nội dung chính sau: Tổng quan về công nghệ sấy sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới cũng như ở Việt Nam; Phân tích, giải mã cấu trúc lớp hấp thụ bức xạ năng lượng mặt trời; Nhiệt độ lò sấy năng lượng mặt trời trong sấy gỗ keo xẻ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hóa học: Nghiên cứu ảnh hưởng của bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường đến hiệu suất lò sấy gỗ sử dụng năng lượng mặt trời

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