Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống bếp lò sử dụng đa nhiên liệu, tích hợp bộ thu nhiệt tận dụng, phục vụ sản xuất và đời sống

Chia sẻ: Xedapbietbay Xedapbietbay | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:71

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 6
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn nghiên cứu, tìm hiểu quá trình phát triển, cải tiến các loại bếp lò, lò đốt trên thế giới và ở Việt Nam. Khảo sát tình hình sử dụng bếp đun nhiên liệu sinh khối trên địa bàn thành phố Huế, từ đó phân tích đặc điểm kết cấu của các loại bếp lò dùng nhiên liệu sinh khối, nguyên lý hoạt động của bếp lò, hiệu suất của bếp, từ đó tìm ra được ưu nhược điểm của các loại bếp đang sử dụng.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật cơ khí: Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống bếp lò sử dụng đa nhiên liệu, tích hợp bộ thu nhiệt tận dụng, phục vụ sản xuất và đời sống

i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các số liệu nghiên cứu trong luận văn này là trung thực. Kết quả nghiên cứu trong thực hiện luận văn này đã được cám ơn, các thông tin trích dẫn trong luận văn đều được ghi rõ nguồn gốc. Tôi xin chịu trách nhiệm cho lời cam đoan trên. Thừa Thiên Huế, ngày 30 tháng 05 năm 2016 Người viết cam đoan Nguyễn Huy Phương PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
ii LỜI CẢM ƠN Trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện luận văn này, tôi được sự tận tình giúp đỡ của rất nhiều quý thầy cô giáo, cơ quan và bạn bè đồng nghiệp. Trước hết xin gửi lời biết ơn chân thành đến NGƯT.TS. Đinh Vương Hùng thầy hướng dẫn khoa học cho tôi, đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cám ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm Huế, các thầy cô giáo trong khoa Cơ khí - Công nghệ và bạn bè đồng nghiệp đã giúp đỡ tôi nhiều mặt trong quá trình thực hiện luận văn. Tôi xin chân thành cảm ơn! Thừa Thiên Huế, ngày 30 tháng 05 năm 2016 Tác giả Nguyễn Huy Phương PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iii TÓM TẮT Luận văn nghiên cứu, tìm hiểu quá trình phát triển, cải tiến các loại bếp lò, lò đốt trên thế giới và ở Việt Nam. Khảo sát tình hình sử dụng bếp đun nhiên liệu sinh khối trên địa bàn thành phố Huế, từ đó phân tích đặc điểm kết cấu của các loại bếp lò dùng nhiên liệu sinh khối, nguyên lý hoạt động của bếp lò, hiệu suất của bếp, từ đó tìm ra được ưu nhược điểm của các loại bếp đang sử dụng. Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu và các thông số kích thước của bếp lò; chúng tôi đã thiết kế hai mẫu bếp, chế tạo một mẫu bếp lò xây cải tiến sử dụng cho hộ gia đình có khả năng nấu cùng lúc 02 nồi 04 lít và bộ phận thu nhiệt thừa collector quanh lò dùng đun nước nóng để tiến hành thử nghiệm. Mẫu bếp đã được tiến hành khảo nghiệm với ba thí nghiệm: sử dụng đốt củi, đốt than tổ ong và đốt gas trên mẫu bếp hộ gia đình. Kết quả đạt được khi đun củi sau 30 phút thì đun sôi được 1 nồi nước có dung tích 4 lít nước, nồi bếp phụ dung tích 4 lít đạt nhiệt độ 80°C. Kết quả thực nghiệm mẫu bếp lò xây cải tiến dùng cho hộ gia đình, có khả năng làm việc tốt với cả ba loại nhiên liệu là: củi, than tổ ong và gas công nghiệp. Bếp thu khói triệt để, có hiệu suất nhiệt cao hơn do giảm tổn thất truyền nhiệt, tiêu hao nhiên liệu giảm khoảng 35 % so với bếp đối chứng (bếp kiềng). Mẫu bếp có bộ phận collector thu nhiệt thừa truyền qua thành lò và các van áp suất an toàn, tận dụng được phần nhiệt cho đun nước nóng sử dụng nhà bếp. Mẫu bếp gọn nhẹ, bảo đảm độ bền, có khả năng di động, dễ chế tạo với các vật liệu sẵn có, bảo đảm vệ sinh thực phẩm và an toàn sử dụng. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................................ ii TÓM TẮT ...................................................................................................................................... iii MỤC LỤC ..................................................................................................................................... iv DANH MỤC BẢNG ................................................................................................................... vii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ............................................................................................viii ĐẶT VẤN ĐỀ................................................................................................................................ 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ............................................................................ 4 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BẾP LÒ ............................................................................ 4 1.2. TÌNH HÌNH CẢI TIẾN BẾP LÒ TRÊN THẾ GIỚI ......................................................... 5 1.3. ỨNG DỤNG BẾP LÒ CẢI TIẾN Ở VIỆT NAM.............................................................. 6 1.4. CÁC LOẠI BẾP ĐUN, LÒ ĐỐT ......................................................................................... 7 1.4.1. Bếp kiềng: ............................................................................................................................. 7 1.4.2. Bếp lò: ................................................................................................................................... 8 1.4.3. Bếp hóa khí (Bếp ga sinh học)............................................................................................ 9 1.4.4. Bếp Gas................................................................................................................................. 9 1.4.5. Bếp sử dụng điện. ............................................................................................................. 10 1.5. THỰC TRẠNG BẾP ĐUN SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH KHỐI HIỆN NAY. ... 11 1.5.1. Bếp kiềng ba chân.............................................................................................................. 11 1.5.2. Bếp lò. ................................................................................................................................. 12 1.5.3. Bếp lò cải tiến không khói. ............................................................................................... 13 1.5.4. Các loại bếp cải tiến tiết kiệm năng lượng. ..................................................................... 13 1.6. KHẢO SÁT TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BẾP ĐUN SINH KHỐI Ở THÀNH PHỐ HUẾ............................................................................................................................................... 16 CHƯƠNG 2. CÁC DẠNG NHIÊN LIỆU VÀ NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG TRONG LÒ ĐỐT ............................................................................................................................................... 18 2.1. NHIÊN LIỆU Ở THỂ RẮN ................................................................................................ 18 2.2. NHIÊN LIỆU Ở THỂ LỎNG ............................................................................................. 19 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
v 2.3. NHIÊN LIỆU Ở THỂ KHÍ .................................................................................................. 19 2.4. NĂNG LƯỢNG KHÁC: ..................................................................................................... 20 CHƯƠNG 3. MỤC ĐÍCH VÀ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU ................................................ 21 3.1. MỤC TIÊU CỤ THỂ ........................................................................................................... 21 3.2. PHẠM VI, ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU ........................................................................ 21 3.2.1. Phạm vi nghiên cứu ........................................................................................................... 21 3.2.2. Đối tượng nghiên cứu ........................................................................................................ 21 3.3. TÓM TẮT NỘI DUNG NGHIÊN CỨU ........................................................................... 21 CHƯƠNG 4. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................................................................... 22 4.1. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÀI LIỆU ................................................................... 22 4.2. PHƯƠNG PHÁP PHỎNG VẤN CHUYÊN GIA............................................................ 22 4.3. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ .................................................................... 22 4.4. PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM .................................................................................. 22 CHƯƠNG 5. NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ................................................... 23 5.1. NHIÊN LIỆU SINH KHỐI ................................................................................................. 23 5.1.1. Khái niệm về sinh khối...................................................................................................... 23 5.1.2. Nguồn gốc của sinh khối................................................................................................... 23 5.1.3. Công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối.................................................................. 28 5.1.4. Hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối......................................................... 30 5.1.5. Năng suất nhiệt của sinh khối ........................................................................................... 31 5.1.6. Quá trình đốt cháy của nguyên liệu sinh khối bằng gỗ .................................................. 31 5.1.7. Các đặc tính khác của sinh khối ....................................................................................... 33 5.1.8. Sơ chế nhiên liệu sinh khối ............................................................................................... 34 5.2. TÍNH TOÁN SỰ ĐỐT CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU SINH KHỐI. ............................... 34 5.2.1 Các nguyên lý của quá trình cháy ..................................................................................... 34 5.2.2. Tính lượng không khí cho quá trình đốt cháy. ................................................................ 36 5.3. TRUYỀN NHIỆT TRONG NẤU ĂN ............................................................................... 40 5.3.1. Dẫn nhiệt............................................................................................................................. 40 5.3.2. Đối lưu ................................................................................................................................ 41 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vi 5.4. THIẾT KẾ MỘT SỐ MẪU BẾP LÒ SỬ DỤNG ĐA NHIÊN LIỆU............................ 43 5.4.1. Thiết kế mẫu bếp lò sử dụng cho hộ gia đình ................................................................. 43 5.4.2. Thiết kế mẫu bếp dùng cho nhà hàng, quán ăn tập thể .................................................. 46 5.4.3. Kích thước tiêu chuẩn của các loại xoong nồi, than tổ ong ........................................... 49 5.4.4. Thiết lập bài toán cân bằng nhiệt cho mỗi loại bếp ........................................................ 51 5.4.5. Kết quả tính toán. ............................................................................................................... 53 5.5 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐỐI CHỨNG..................................................................... 56 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................................... 58 KẾT LUẬN .................................................................................................................................. 58 KIẾN NGHỊ.................................................................................................................................. 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................................... 60 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
vii DANH MỤC BẢNG Bảng 5.1. Phân loại và các dạng sinh khối................................................................................. 23 Bảng 5.2. Bảng thành phần cấu tạo nhiên liệu gỗ ..................................................................... 32 Bảng 5.3. Các phản ứng cháy...................................................................................................... 35 Bảng 5.4. Thí dụ thành phần hoá học và tỉ lệ của một số chất đốt .......................................... 37 Bảng 5.5. Hệ số dẫn nhiệt một số vật liệu.................................................................................. 41 Bảng 5.6. Kích thước đường kính ngoài các loại nồi ............................................................... 49 Bảng 5.7. Kích thước và trọng lượng than tổ ong tiêu chuẩn .................................................. 50 Bảng 5.8. Lượng nước đun sôi tương ứng trọng lượng viên than ........................................... 50 Bảng 5.9. Năng suất tỏa nhiệt của một số nhiên liệu ................................................................ 50 Bảng 5.10. Kết quả thử nghiệm mẫu bếp khi đun củi .............................................................. 57 Bảng 5.11. Kết quả thử nghiệm mẫu bếp khi đun than tổ ong ................................................ 57 Bảng 5.12. Kết quả thử nghiệm mẫu bếp khi đun gas .............................................................. 57 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
viii DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1. Bếp củi truyền thống ..................................................................................................... 4 Hình 1.2. Bếp tiết kiệm năng lượng TK90 .................................................................................. 7 Hình 1.3. Bếp lò di động tự đắp .................................................................................................... 8 Hình 1. 4. Bếp lò tự xây có nhiều vòng........................................................................................ 9 Hình 1.5. Bếp gas hóa khí.............................................................................................................. 9 Hình 1.6. Bếp ga sử dụng khí hóa lỏng ........................................................................................ 9 Hình 1.7. Bếp điện sử dụng dây điện trở.................................................................................... 10 Hình 1.8. Bếp từ Midea MI-SV21DM ....................................................................................... 11 Hình 1.9. Bếp hồng ngoại Sanaky SNK2102HG ..................................................................... 11 Hình 1.10. Bếp kiềng ba chân. .................................................................................................... 12 Hình 1.11. Bếp lò di động............................................................................................................ 12 Hình 1.12. Bếp lò cải tiến. ........................................................................................................... 13 Hình 1.13. Bếp parabol sử dụng năng lượng mặt trời .............................................................. 14 Hình 1.14. Hầm nắp cố định chế tạo sẵn ................................................................................... 15 Hình 1.15. Bếp hồng ngoại không dùng quạt ............................................................................ 16 Hình 1.16. Bếp ga sử dụng tại quán phở Sài Gòn ..................................................................... 16 Hình 1.17. Bếp lò tự xây tại nhà hàng. ...................................................................................... 17 Hình 2.1. Củi gỗ và củi ép từ dăm bào ....................................................................................... 18 Hình 2.2. Than củi và than đá ..................................................................................................... 18 Hình 2.3. Cồn công nghiệp.......................................................................................................... 19 Hình 2.4. Khí Gas ......................................................................................................................... 19 Hình 5.1. Vụn gỗ và bã vỏ mía ................................................................................................... 23 Hình 5.2. Gỗ rừng, gỗ lâm nghiệp .............................................................................................. 24 Hình 5.3. Hình dạng và kích cỡ một số vật liệu sinh khối ....................................................... 33 Hình 5.4. Quá trình bức xạ nhiệt................................................................................................. 42 Hình 5.5. Kết cấu mẫu bếp sử dụng cho hộ gia đình ................................................................ 44 Hình 5.6. Giá đỡ bếp .................................................................................................................... 44 Hình 5.7. Thân bếp ....................................................................................................................... 45 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
ix Hình 5.8. Bộ thu nhiệt .................................................................................................................. 45 Hình 5.9. Bộ trao đổi nhiệt .......................................................................................................... 46 Hình 5.10. Giá đỡ than tổ ong ..................................................................................................... 46 Hình 5.11. Kết cấu mẫu bếp dùng cho nhà hàng ...................................................................... 47 Hình 5.12. Thân bếp ..................................................................................................................... 48 Hình 5.13. Bộ thu nhiệt tận dụng ................................................................................................ 48 Hình 5.14. Giá đỡ than tổ ong ..................................................................................................... 49 Hình 5.15. Mẫu bếp dùng cho hộ gia đình................................................................................. 51 Hình 5.16. Mẫu bếp dùng cho nhà hàng .................................................................................... 52 Hình 5.17. Mô hình thử nghiệm mẫu bếp lò xây cải tiến dùng cho hộ gia đình .................... 56 Sơ đồ 5.1. Công nghệ chuyển đổi năng lượng sinh khối.......................................................... 28 Sơ đồ 5.2. Các sản phẩm của quá trình nhiệt phân ................................................................... 29 Sơ đồ 5.3. Sơ đồ sơ chế nhiên liệu sinh khối từ phế thải. ......................................................... 34 Biểu đồ 5.1. Hàm lượng nước và năng suất nhiệt của sinh khối ............................................. 30 Biểu đồ 5.2. Giá trị nhiệt của nhiên liệu sinh khối .................................................................... 31 Biểu đồ 5.3. Quá trình đốt cháy vật liệu gỗ ............................................................................... 32 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
1 ĐẶT VẤN ĐỀ Tính cấp thiết của đề tài. Công nghệ sinh khối ở Việt Nam hiện nay vẫn chưa phát triển nhiều, quá trình thương mại hóa vẫn còn rất hạn chế. Cho đến nay, sinh khối được sử dụng chủ yếu ở vùng nông thôn với quy mô nhỏ và chưa có công nghệ thích hợp. Là một nước nông nghiệp với dân số khoảng 90 triệu người (trong đó 80% sống ở nông thôn), Việt Nam có một tiềm năng sinh khối đáng kể (từ gỗ, rơm rạ, lá cây củi mục và những phần dư thừa từ quá trình sản xuất nông nghiệp hay chế biến thực phẩm v.v…) [8]. Tiềm năng của năng lượng sinh khối trong mối tương quan với dạng nhiên liệu gỗ được tóm tắt như sau: Từ rừng tự nhiên: khoảng 41 triệu tấn/năm Từ rừng phân tán, cây bụi v.v…: khoảng 35 triệu tấn/năm Từ rừng trồng: khoảng 1-2 triệu tấn/năm Từ những cây rải rác: khoảng 8-10 triệu tấn/năm Lượng nhiên liệu gỗ tổng cộng khoảng 75-80 triệu tấn/năm, tương đương với 26-28 triệu tấn dầu/năm. Năng lượng sinh khối từ rơm rạ, trấu, cỏ, lá, mùn cưa và các chất thải nông nghiệp khác khoảng 30 triệu tấn/năm tương đương với 10 triệu tấn dầu/năm. Thêm vào đó, năng lượng sinh khối có nguồn gốc từ chất thải rắn hộ gia đình khoảng 0,103 triệu tấn/năm. Nguồn nhiên liệu gỗ chính là rừng tự nhiên và rừng trồng, cây rải rác, cây thường niên và phần vụn thừa từ lâm nghiệp, công nghiệp khai thác gỗ. Ở nước ta, hiện có khoảng gần 9 triệu hộ gia đình sống ở nông thôn đang sử dụng năng lượng sinh khối (NLSK) cho đun nấu hàng ngày. Việc phụ thuộc vào NLSK mà chủ yếu là gỗ – củi, phụ phẩm nông – lâm nghiệp làm chất đốt cho đun nấu sẽ còn kéo dài trong nhiều thập kỷ nữa ngay cả khi kinh tế phát triển. Bởi lẽ, các nguồn năng lượng (NL) cao cấp hơn như điện, khí hoá lỏng,…là có hạn, hoặc còn đắt đỏ chưa thể phổ cập rộng rãi ngay đến các vùng nông thôn – miền núi được. Từ việc khảo sát thực trạng sử dụng năng lượng phục vụ cho đời sống dân sinh ở khu vực nông thôn, làng nghề trong năm 2014 của Trung tâm TVCN &TKNL Thừa Thiên Huế với 03 tỉnh khu vực miền Trung (Quảng Trị, Thừa Thiên Huế và Quảng Nam) trong khuôn khổ dự án Carbon thấp do WWF Việt nam tài trợ, hơn 80% số hộ dân nông thôn miền Trung đang sử dụng chất đốt truyền thống từ phế sản phẩm củi gỗ, than, dầu, điện, rơm rạ,…việc đun nấu thông thường của từng hộ gia đình vẫn đang sử dụng loại bếp truyền thống như “kiềng ba chân” kê ba viên gạch, kê hai thanh sắt dài PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
2 làm bếp…để đun nấu rất tiêu hao vật liệu chất đốt gây toả khói bụi, ảnh hưởng đến môi trường và sức khoẻ trực tiếp người đun nấu và cộng đồng, dễ gây cháy,…nhiều hộ có nghề truyền thống như nấu rượu, làm bún, chăn nuôi có sử dụng bếp tự xây bằng đất nung tiết kiệm chất đốt, nhưng hiệu suất vẫn còn thấp và khó khăn khi nhóm lò, không linh hoạt, bất tiện khi cần di chuyển. Những nơi hộ dân thiếu chất đốt thì việc chặt cây phá rừng để tạo nguồn đốt vẫn xảy ra trong khi không tận dụng được nguồn chất đốt có sẵn từ rác thải sinh hoạt, rác tự nhiên từ phế phẩm nông nghiệp, chăn nuôi,…mà các bếp truyền thống không sử dụng được [8]. Nhu cầu nhiên liệu làm chất đốt cho đun nấu ở hộ gia đình đang gia tăng (tăng do tăng dân số, và các nhu cầu sử dụng nhiệt khác) đã kéo theo việc khai thác gỗ – củi vượt quá khả năng cung cấp bền vững, làm mất rừng và như vậy là môi trường sinh thái đã, đang và sẽ bị tác động xấu. Hậu quả của việc mất rừng đã được minh chứng qua các trận hạn hán, lũ lụt ở nhiều vùng quê, nhiều địa phương trong cả nước. Mặc dù nguồn cung cấp gỗ – củi, sinh khối đang ngày càng bị hạn chế; vấn đề thiếu hụt chất đốt đã xảy ra ở nhiều vùng, địa phương nhưng việc sử dụng gỗ – củi, sinh khối làm nhiên liệu cho đun nấu trong các hộ dân lại rất lãng phí, kém hiệu quả. Đó là do hầu hết gỗ – củi, sinh khối đang được đốt trên các bếp đun cổ truyền – bếp kiềng, loại bếp hở có từ lâu đời. Những bếp đun này do hiệu suất thấp, chỉ đạt từ 8- 15% đã dẫn tới tiêu thụ nhiều nhiên liệu và khi đun phát ra nhiều khí thải độc hại có thể gây ra các ảnh hưởng đến sức khoẻ cộng đồng, đặc biệt là người già, phụ nữ và trẻ em, họ là những người nội trợ chính ở các gia đình nông thôn nước ta. Việc phổ biến rộng rãi các loại bếp đun cải tiến phù hợp với phong tục tập quán đun nấu của cư dân địa phương được coi là vấn đề cần thiết, cần làm ngay. Nếu phổ cập rộng rãi các bếp đun cải tiến thì hiệu quả mà nó sẽ mang lại là rất lớn không những về kinh tế – xã hội mà còn giải quyết tốt các vấn đề về môi trường. Để có được các mẫu bếp đun cải tiến vừa tiết kiệm nhiên liệu vừa phù hợp với phong tục tập quán đun nấu của các địa phương thì việc tiến hành khảo sát, điều tra hiện trạng sử dụng chất đốt, tìm hiểu phong tục tập quán đun nấu của người dân là rất cần thiết. Kết quả điều tra về chất đốt, loại bếp, cách thức sử dụng của các hộ gia đình nông thôn tại một số tỉnh như Quảng Trị, Thừa Thiên Huế, Quảng Nam… đã chỉ ra một số vấn đề và được tóm tắt như sau: Hộ gia đình sử dụng củi chiếm tỷ lệ áp đảo tới 74% [8]. Củi được lấy từ các nguồn chính: từ rừng tự nhiên, rừng trồng, cây trong vườn và phế thải từ chế biến gỗ. Mức tiêu thụ gỗ củi cho đun nấu có sự khác nhau khá rõ giữa các vùng miền: - Nông thôn đồng bằng: 1,3 kg củi/người/ngày. - Nông thôn trung du: 1,5 kg/người/ngày. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
3 - Nông thôn miền núi: 2,0 kg/người/ngày. - Cho nấu cám lợn: 7,7 kg củi/hộ ngày (mức trung bình). Có khoảng 65% hộ gia đình ở khu vực nông thôn đồng bằng sử dụng phụ phẩm nông nghiệp làm chất đốt như rơm rạ, thân cây các loại. Các hộ miền núi không sử dụng loại chất đốt này, chỉ một số ít sử dụng thân, lõi ngô để đun nấu. Bếp sử dụng phần lớn là loại kiềng dài và tròn làm bằng các thanh sắt hàn lại với nhau. Khi đo đạc cho thấy hiệu suất bếp rất thấp, trung bình chỉ đạt 13,5%. Tiết kiệm năng lượng là vấn đề toàn cầu. Nhu cầu nấu ăn hàng ngày từ gia đình đến các bếp tập thể đông người cho đất nước 90 triệu dân đã và đang sử dụng hơn 3 triệu bếp lò lớn nhỏ. Hiện tại, khoảng 74% hộ gia đình ở khu vực nông thôn vẫn sử dụng năng lượng sinh khối (NLSK) cho đun nấu. Chỉ nâng hiệu suất nhiệt của các loại lò đốt – bếp lò hiện tại lên 1%, Việt Nam có thể tiết kiệm được hàng trăm tỷ đồng/năm. Nhu cầu thị trường cần có một hệ thống các loại bếp lò phù hợp về kết cấu, dễ sử dụng, an toàn cháy nổ, tiết kiệm năng lượng, có thể sử dụng đa nhiên liệu, tích hợp bộ thu nhiệt tận dụng, có hiệu suất nhiệt cao, bảo đảm vệ sinh môi trường và giá mua phù hợp. Vì lý do đó, tôi chon đề tài “Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống bếp lò sử dụng đa nhiên liệu, tích hợp bộ thu nhiệt tận dụng, phục vụ sản xuất và đời sống”. Đối tượng sử dụng: hộ gia đình (mẫu 1); hộ kinh doanh nhà hàng, bếp ăn tập thể (mẫu 2). Mục tiêu chung của đề tài. Tạo ra được một hệ thống các loại bếp lò cải tiến, có khả năng sử dụng đa nhiên liệu, tiết kiệm năng lượng, phù hợp yêu cầu của sản xuất và đời sống. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn. Ý nghĩa khoa học. Đóng góp thêm mẫu bếp sử dụng đa nhiên liệu, có hiệu suất nhiệt cao hơn, phục vụ sản xuất và đời sống hàng ngày cho hộ gia đình, các nhà hàng. Ý nghĩa thực tiễn Tăng hiệu suất sử dụng của bếp, tiết kiệm nhiên liệu, tận dụng được nhiệt thừa, nâng cao hiệu quả sử dụng, bảo đảm vệ sinh và an toàn . Những điểm mới của đề tài. - Thiết kế được 2-3 mẫu bếp có khả năng sử dụng đa nhiên liệu, hiệu suất lò đốt và gia nhiệt cao, cấu tạo đơn giản, an toàn và vệ sinh. - Chế tạo ra 1- 2 mẫu bếp sử dụng đa nhiên liệu. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 1.1. LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BẾP LÒ Từ xưa đến nay chúng ta đã được nghe qua rất nhiều câu chuyện về sự tích “Ông Táo, Bà Táo”, thần lửa, cái bếp lò… Điều đó chứng tỏ chiếc bếp ngày xưa đã là một dụng cụ không thể thiếu trong mỗi căn nhà, căn hộ. Chiếc bếp lò, xuất hiện từ lúc con người đã biết tạo ra lửa để làm chín thức ăn và trải qua hàng ngàn năm chiếc bếp đã thay đổi rất nhiều từ hình dáng cho đến máy móc bên trong của nó. Điều đó đã được các nhà khoa học, khảo cổ ghi chép lại như một lịch sử để chứng minh sự phát triển của chiếc bếp nói riêng và sự phát triển của con người nói chung [9]. Hình 1.1. Bếp củi truyền thống Các nhà khảo cổ học cho rằng con người, cách đây khoảng 1 triệu năm, bắt đầu học cách sử dụng lửa. Thời điểm từ biết dùng lửa cho đến biết dùng lửa để làm chín thức ăn kéo dài không lâu, vì thực phẩm sau khi làm chín bằng lửa sẽ ngon hơn dễ ăn hơn thực phẩm sống. Các chứng tích từ thời đồ đá gồm các lỗ hõm vào mặt đất, có đặt thêm miếng đá vào bên trong chứng minh là vị trí dùng đốt lửa. Thực phẩm được xiên qua cây và nướng trên ngọn lửa hoặc cuộn trong đất sét, lá cây và vùi trực tiếp vào than hồng. Mãi cho đến thời trung cổ thì phương pháp nấu thức ăn này cũng không thay đổi nhiều. Thời điểm này lò dùng đốt lửa thay vì trực tiếp trên nền đất, họ bắt đầu kê lên cao, trên các chân, các phiến đá. Lúc này họ chưa có giải pháp cho việc thoát khói, giải pháp thô sơ là các đường rạch vào tường vào nóc để khói thoát ra. Khoảng từ thế kỷ thứ 9 chỗ đốt lửa được chỉnh thành lò tượng tự như lò sưởi, di chuyển từ giữa phòng vào một cạnh tường và được thiết kế thêm ống dẫn khói ra ngoài. Đầu tiên ống dẫn khói được làm bằng gỗ, sau đó mãi vào cuối thời trung cổ, khoảng thế kỷ 13 thì được làm bằng đá. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
5 Đến khoảng cuối thế kỷ thứ 19 còn có loại lò bằng gang, được gọi là máy nấu, ở nhiều kích cỡ lớn nhỏ và hình dạng khác nhau. Các loại lò này được chạm trổ, điêu khắc như một vật trang trí trong nhà. Trong khi máy nấu đang được yêu chuộng ở đỉnh điểm thì một phát minh mới khác ra đời: bếp gas. Bếp gas được ứng dụng đầu tiên tại Đức ở vào khoảng cuối thế kỷ thứ 19. Bếp loại này được ứng dụng nhiều vào thời điểm từ thế kỷ 19 sang 20. Lợi thế của loại nguyên liệu mới này quá rõ ràng. Nhiệt năng tập trung hơn và cần là có. Qua phát minh này, người ta tiết kiệm rất nhiều năng lượng và thời gian. Ngoài ra không có khói, không có tro và bồ hóng. Bếp điện đầu tiên đã được trưng bày trong triển lãm thế giới vào năm 1893 tại Chicago. Cho đến nay, rất nhiều các phương pháp làm chín thực phẩm đã du nhập vào trong bếp của từng gia đình: từ hơi nóng, hơi lạnh từ nguồn nhiệt bên trên , bên dưới, rồi từ nướng đến microwave. Microwave là tần số cao (high frequency), sóng điện tử khoảng giữa sóng radio và sóng hồng ngoại. Chúng có tác dụng trực tiếp lên các phân tử nước trong thực phẩm mà không tỏa nhiệt. Các phân tử nước qua tác động của sóng bắt đầu xoay, cọ xát với nhau và phát ra nhiệt làm nóng thực phẩm. Chén dĩa, đồ dựng thực phẩm thực chất không bị nóng trực tiếp qua quá trình này nhưng sẽ bị nóng do nhiệt năng từ thực phẩm truyền qua [9]. Từ năm 1984 trên thị trường có một phương pháp nấu khác nữa là nấu bằng cảm ứng. Về bề ngoài cách nấu này không khác mấy so với bếp điện có mặt bếp bằng caran. Sự khác biệt đầu tiên chúng ta nhận biết là khi vặn bếp, nếu chúng ta không đặt nồi lên thì mặt bếp vẫn không nóng. Với cuộn đồng cảm ứng trong mặt bếp một dòng điện hai chiều được tạo ra, dòng điện này tạo ra từ trường thay đổi rất nhanh. Khi nồi nấu (được làm từ kim loại) có từ tính và được đặt lên mặt bếp, từ trường sẽ tạo ra điện áp trong đáy nồi. Điện áp sẽ tạo ra dòng điện gọi là eddy current chạy trong đáy nồi khiến đáy nồi cũng như thực phẩm trong nồi nóng lên nhanh chóng. Nấu theo phương pháp cảm ứng (nấu bếp từ) rất tiết kiệm. Nồi phản ứng nhanh đối với sự thay đổi nhiệt độ, tương tự như bếp gas. Thời gian nấu nóng lên còn ngắn hơn so với bếp gas. Như vậy, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật thì những chiếc bếp ngày trước “cồng kềnh” đã trở nên đẹp mắt, sang trọng hơn. Những kĩ thuật tiên tiến đều được áp dụng cho bếp để tiết kiệm thời gian cũng như chùi rửa hàng ngày cho các chị em nội trợ. 1.2. TÌNH HÌNH CẢI TIẾN BẾP LÒ TRÊN THẾ GIỚI Thuật ngữ bếp cải tiến bắt đầu xuất hiện từ thế kỷ XX được gọi là ICS (viết tắt của Improved Cook Stove). PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
6 Bếp cải tiến là một kiểu bếp cần ít nhiên liệu và tạo ra ít khói hơn bếp truyền thống để nấu cùng một lượng thức ăn [3]. Trước thực trạng thiếu chất đốt các nước trên thế giới đã tích cực nghiên cứu cải tiến bếp đun. Ở Châu Phi, nghiên cứu áp dụng bếp đun cải tiến bắt đầu từ những năm 1980. Tổ chức GTZ đã phát triển bếp cải tiến cho người dân địa phương và bán trong các chợ. Một tổ bộ phận cải tiến bếp kiềng được thành lập và quy định bắt buộc ít nhất mỗi hộ gia đình có một bếp cải tiến. Tuy nhiên, thiếu cơ chế chính sách nên sau khi kết thúc chương trình bếp cải tiến có xu hướng giảm do không còn nhận được hỗ trợ kinh phí. Năm 2003, Trung tâm xúc tiến năng lượng thay thế (AEPC) và Sở Khoa học Công nghệ - Khoa học Môi trường Nepal xúc tiến chương trình nghiên cứu triển khai bếp đun cải tiến tại 30/75 huyện với khoảng 250.000 bếp [3]. Năm 2008, tổ chức VPA (Voluntary Program Activities) thực hiện nghiên cứu cải tiến bếp kiềng tại Peru xây dựng được 82.099 bếp với kế hoạch đến năm 2011 giảm được 74.233 tấn gỗ/năm và 331.754 tấn CO2 trong vòng 7 năm. Sử dụng bếp truyền thống còn gây ra một số bệnh về hô hấp. Theo số liệu của VPA: năm 2004, có 2.500 trẻ em dưới 14 tuổi chết tại Peru, trung bình 1 năm trên thế giới có 1.000 người chết vì hít phải khí thải từ bếp truyền thống [13]. Nghiên cứu đã xác định được một số lợi ích thu được từ việc sử dụng bếp cải tiến như sau: - Giảm nhu cầu sử dụng năng lượng không tái tạo. - Giảm khí CO2 và bảo vệ rừng địa Phương. - Giảm khói, cải thiện chất lượng không khí trong nhà, bảo vệ sức khỏe. - Tiết kiệm gỗ, thời gian và kinh phí. - Bảo vệ rừng hiệu quả trong việc bảo tồn và phòng chống xói mòn đất. - Giảm các chất khí có hại. 1.3. ỨNG DỤNG BẾP LÒ CẢI TIẾN Ở VIỆT NAM. Ở Việt Nam, diện tích rừng suy giảm nhanh nên việc nghiên cứu cải tiến các bếp tiết kiệm củi được bắt đầu từ rất sớm. Năm 2000, ECO và dự án LSNG đã nghiên cứu thử nghiệm 6 bếp tại huyện Ba Bể, tỉnh Bắc Cạn [11]. Năm 2007, trong khuôn khổ các hoạt động của Chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng và tiết kiệm và hiệu quả, Trung tâm năng lượng tái tạo và cơ chế phát triển sạch, Viện Năng lượng được Ban Chỉ đạo Chương trình giao thực hiện dự án “Triển khai diện rộng bếp đun cải tiến tiết kiệm năng lượng sử dụng phụ phẩm PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
7 nông, lâm nghiệp tại các hộ gia đình nông thôn”. Chương trình đã triển khai ít nhất 1500 bếp cải tiến tại ba tỉnh lựa chọn là Phú Thọ, Thanh Hoá và Hòa Bình. Kết quả nói trên tính toán sơ bộ cho thấy mỗi hộ gia đình sử dụng bếp đun cải tiến thì mỗi năm có thể tiết kiệm ít nhất 1,4-1,5 tấn củi. Năm 2011, Hội Liên hiệp phụ nữ huyện Định Hóa, tỉnh Thái Nguyên thử nghiệm bếp lò cải tiến tại 2 xã Bình Thành và Bộc Nhiêu. Kết quả triển khai được 116 bếp xách tay và 14 bếp xây cố định. Việc nghiên cứu cải tiến bếp theo hướng tiết kiệm củi còn được nhiều tổ chức, cá nhân quan tâm. Tuy nhiên các nghiên cứu trên chủ yếu tập trung vào việc tiết kiệm nguồn chất đốt là củi nên vẫn chưa chấm dứt tình trạng khai thác gỗ, củi bừa bãi từ rừng. Hình 1.2. Bếp tiết kiệm năng lượng TK90 Việc tận dụng các chất thải trong sản xuất nông nghiệp làm chất đốt cũng được nghiên cứu và áp dụng như: sản xuất củi trấu, sản xuất than cốt dừa, sản xuất khí gas từ chất thải. Tuy nhiên, chi phí sản xuất cao, sản phẩm than bánh chỉ sử dụng cho các lò sấy, chưa phù hơp với điều kiện nấu ăn của các hộ gia đình dân tộc thiểu số. Chính vì vậy sáng kiến thiết kế một kiểu bếp phù hợp để sử dụng lõi ngô cho việc đun nấu hàng ngày chưa được phổ biến. 1.4. CÁC LOẠI BẾP ĐUN, LÒ ĐỐT 1.4.1. Bếp kiềng: Là loại bếp đơn giản có 3 chân, được làm bằng 3 cục đá, 3 viên gạch hay làm vành thép có 3 chân, nhiên liệu chủ yếu là các phụ phẩm nông - lâm nghiệp như: Rơm, rạ, lõi ngô, trấu, củi... PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
8 Hiện nay, ở Việt Nam các hộ nông dân phổ biến sử dụng củi, rơm, rạ hoặc các loại nhiên liệu có sẵn khác từ thiên nhiên trong việc đun nấu hàng ngày ở nhiều hộ gia đình khu vực miền núi, nông thôn vẫn còn phổ biến. Theo nghiên cứu hiện vẫn còn khoảng 56% dân số Việt Nam đang đun nấu hàng ngày bằng củi. Loại bếp này hiệu suất nhiệt thấp, khi đun nấu gây nhiều khói bụi và khí độc hại, là nguyên nhân gây bệnh về mắt và đường hô hấp, ảnh hưởng lớn đến sức khoẻ của người đun nấu. 1.4.2. Bếp lò: Là loại bếp ba mặt lò được xây bít kín lại. Nồi có thể đặt lên tấm sắt hoặc trực tiếp trên lửa. Lợi thế của loại bếp này là giảm lượng củi cần thiết, tro than không bắn, văng ra ngoài. Hình 1.3. Bếp lò di động tự đắp Bếp lò sử dụng than tổ ong, trấu và dăm bào ép: Chất đốt sử dụng là than tổ ong hoặc dăm bào và trấu ép. Loại bếp lò cải tiến có vòng kê nồi trên mặt lò. Vòng kê có đường kính khác nhau cho nhiều kích cỡ của nồi. Khi lấy vòng ra khỏi lò, người ta có thể nấu trực tiếp trên ngọn lửa, dùng vòng thì nấu gián tiếp qua miếng sắt. Vì phần nhiều đáy nồi cong nên sự tiếp xúc nhiệt không hiệu quả. Nấu bằng cách treo nồi trực tiếp trên ngọn lửa vẫn hiệu quả hơn. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
9 Hình 1. 4. Bếp lò tự xây có nhiều vòng Bên dưới mặt bếp có một hệ thống ống nước để nấu nóng nước. Nước được làm nóng bằng ngọn lửa đốt nóng ống dẫn qua lò. 1.4.3. Bếp hóa khí (Bếp ga sinh học) Là loại bếp đốt yếm khí nhiên liệu từ buồng chứa tạo ra khí gas sinh học [6]. Hình 1.5. Bếp gas hóa khí 1.4.4. Bếp Gas Đây là loại bếp dùng nhiên liệu là khí hóa lỏng LPG, được sử dụng phổ biến nhất hiện nay và thường hay gặp ở hầu hết các gia đình ở thành phố. Hình 1.6. Bếp ga sử dụng khí hóa lỏng PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
10 Ưu điểm: Giá thành rẻ, dễ dàng sử dụng cũng như nấu ăn, nhiên liệu gas được sử dụng rộng rãi. Gia nhiệt theo tùy chọn, kiểm soát ngọn lửa dễ dàng, nấu nướng nhanh chóng. Không kén nồi nấu, sử dụng được hầu hết các nồi với chất liệu khác nhau, đường kính không giới hạn to nhỏ, miễn sao vừa với kiềng và bề mặt bếp. Nhược điểm: Hiệu suất không cao chỉ 60% do lãng phí nhiệt năng dùng để đốt nóng không khí. Do bếp sử dụng lửa từ gas để nấu ăn, nên sản sinh ra nhiều khí CO, ảnh hưởng tới môi trường. Nếu không cẩn thận có thể xảy ra tình trạng rò rỉ khí gas dẫn đến ngộ độc khí gas hay cháy nổ gây nguy hiểm. Nếu thiết kế kiềng bếp và vòng lửa liền khối thì gây khó khăn cho việc vệ sinh bếp. 1.4.5. Bếp sử dụng điện. - Bếp điện dùng dây điện trở: đặc điểm giữ nhiệt yếu, tuổi thọ thấp, hiệu suất nhiệt không cao, hạn chế. Tuy nhiên giá thành rẻ và dễ thay thế. Hình 1.7. Bếp điện sử dụng dây điện trở - Bếp điện từ: Bếp điện từ hay còn gọi là bếp từ là loại bếp hoạt động trên nguyên lý tăng nhiệt nhờ dòng điện cảm ứng từ trong từ trường, dòng điện xoay chiều thông qua dây lò xo sản sinh ra từ trường, các đường cảm ứng điện từ trong từ trường thông qua phần đế làm bằng sắt dưới đáy các loại nồi sinh ra vô số các dòng điện cảm ứng nhỏ, làm nóng thân nồi và từ đó sẽ đun nóng làm chín thức ăn. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma
11 Hình 1.8. Bếp từ Midea MI-SV21DM - Bếp hồng ngoại là dòng bếp hiện đại dùng năng lượng điện để đun nấu, sử dụng tia hồng ngoại xa để làm nóng thực phẩm, công nghệ siêu cao tần, kiểm soát nhiệt độ và thời gian chính xác, không có bức xạ điện từ ảnh hưởng đến sức khỏe, rất phù hợp dùng cho việc nấu nướng trong gia đình. Hình 1.9. Bếp hồng ngoại Sanaky SNK2102HG 1.5. THỰC TRẠNG BẾP ĐUN SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH KHỐI HIỆN NAY. 1.5.1. Bếp kiềng ba chân. Bếp được thiết kế gồm ba điểm tựa để kê xoong nồi, có thể sử dụng đá, gạch hoặc các loại vật liệu khác... Chất đốt được đưa vào vùng đốt để đun nấu có thể từ hướng khác nhau. PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkRemover.com to remove the waterma