27
TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 55, 2009
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH SẤY THÓC BẰNG THIẾT BỊ SẤY NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI KIỂU ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN
Đỗ
Minh C
ườ
ng, Phan Hòa
Tr
ườ
ng
Đạ
i h
ọ
c Nông Lâm,
Đạ
i h
ọ
c Hu
ế
TÓM TẮT
Thi
ế
t b
ị
s
ấ
y n
ă
ng l
ượ
ng m
ặ
t tr
ờ
i ki
ể
u
đố
i l
ư
u t
ự
nhiên dùng
để
s
ấ
y thóc có k
ế
t c
ấ
u
đơ
n
gi
ả
n, d
ễ
s
ử
d
ụ
ng và giá thành th
ấ
p, phù h
ợ
p v
ớ
i quy mô h
ộ
nông dân, có th
ể
s
ử
d
ụ
ng v
ậ
t li
ệ
u có
s
ẵ
n
ở
đị
a ph
ươ
ng
để
ch
ế
t
ạ
o. Khi s
ử
d
ụ
ng thi
ế
t b
ị
này, th
ờ
i gian s
ấ
y rút ng
ắ
n nhi
ề
u so v
ớ
i ph
ơ
i
n
ắ
ng t
ự
nhiên khi trong cùng m
ộ
t
đ
i
ề
u ki
ệ
n nh
ư
nhau,
đả
m b
ả
o s
ố
l
ượ
ng và ch
ấ
t l
ượ
ng c
ủ
a thóc
s
ấ
y, không b
ị
các côn trùng và chim chu
ộ
t thâm nh
ậ
p phá ho
ạ
i, phòng ng
ừ
a
đượ
c m
ư
a
ẩ
m.
Thi
ế
t b
ị
này c
ũ
ng có th
ể
đượ
c s
ử
d
ụ
ng
để
s
ấ
y m
ộ
t s
ố
s
ả
n ph
ẩ
m nông nghi
ệ
p khác.
1. Đặt vấn đề
Trong khâu phơi sấy thóc, nông dân thường sử dụng dạng hong phơi tự nhiên
trực tiếp dưới ánh nắng mặt trời. Đó là phương pháp đơn giản với chi phí thấp nhất,
nhưng có nhiều hạn chế như: thóc khô không đều, có thể nhiễm bẩn do đất cát hoặc bị
các loại chim, chuột phá hoại và không chủ động bởi thời tiết thất thường.
Việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời (NLMT) để gia nhiệt cho thiết bị
sấy thóc nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng bức xạ mặt trời, bảo đảm năng suất và chất
lượng quá trình sấy là một hướng đi phù hợp với điều kiện thực tế và là vấn đề cấp thiết
hiện nay. Vì vậy, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: Nghiên cứu quá trình sấy thóc
bằng thiết bị sấy NLMT kiểu đối lưu tự nhiên, nhằm:
- Xác định mẫu thiết bị sấy thóc sử dụng NLMT phù hợp với đặc điểm nông hộ
trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế.
- Xác định trạng thái của quá trình sấy hạt nông sản bằng thiết bị sấy sử dụng
NLMT kiểu đối lưu tự nhiên, làm cơ sở để thiết kế, chế tạo các thiết bị sấy NLMT.
2. Phương pháp nghiên cứu
- Phương pháp thu thập thông tin thông qua các tài liệu xuất bản và internet.
- Phương pháp đo số liệu bằng các dụng cụ chuyên dùng.
- Phương pháp xử lý số liệu bằng toán xác xuất thống kê nhờ phần mềm Excel,
28
Cropwat 4.0.
- Phương pháp tính toán lý thuyết bằng toán giải tích.
- Phương pháp thực nghiệm sấy lúa trên mô hình thí nghiệm.
3. Nội dung và kết quả nghiên cứu
3.1. Lựa chọn nguyên lý làm việc của thiết bị
Thiết bị sấy bằng NLMT được thực hiện theo hai phương pháp: Thiết bị sấy trực
tiếp và thiết bị sấy gián tiếp.
Thiết bị sấy trực tiếp có tuần hoàn khí tự nhiên. Thóc được trải thành một lớp
mỏng trong một phòng kín hấp thụ với phía trên được che phủ bằng một tấm trong suốt.
Thóc được gia nhiệt và nóng lên, ẩm được bốc hơi và thoát ra ngoài. Phương pháp này
đơn giản, không sợ trời mưa và thóc không bị nhiễm bẩn. Nhưng nó có nhược điểm:
Quá trình sấy chậm, mất nhiều thời gian, chỉ sấy được lớp thóc mỏng nên năng suất thấp.
Thiết bị sấy gián tiếp có dẫn nhiệt cưỡng bức. Thóc được đặt tại các sàng sấy,
khí nóng được lấy từ bộ thu nhiệt NLMT thổi xuyên qua các vĩ sấy và lớp thóc làm cho
thóc khô dần. Phương pháp này có ưu điểm: Do hiệu suất của bộ hấp thụ cao hơn nên
nhiệt độ sấy cao hơn, quá trình sấy đều hơn do không khí nóng đi từ dưới lên. Nhưng nó
có nhược điểm: diện tích chiếm chỗ của thiết bị lớn, quá trình sấy còn phụ thuộc vào
nguồn năng lượng bên ngoài để chạy quạt, giá thành thiết bị cao hơn.
Xuất phất từ những ưu, nhược điểm của hai phương pháp trên, chúng tôi chọn
nguyên lý sấy hỗn hợp kiểu đối lưu tự nhiên
3.2. Tính toán lý thuyết mô hình thiết bị
Từ công thức tính hiệu suất của collector: ηC = v.ρ.CP.∆t
AC.En
Trong đó: v – Thể tích khí thổi qua collector trong một thời gian, m3/s
ρ – Tỷ trọng của không khí, kg/m3
CP – Nhiệt dung riêng của không khí, KJ/kgoK
∆t – Nhiệt độ nóng lên của không khí sau khi đi qua Collector, oC
En – Cường độ của bức xạ mặt trời, W/m2
AC – Diện tích của collector , AC = v.ρ.CP.∆t
ηC.En , m2
* Lượng ẩm cần tách khỏi hạt tính theo công thức: mW = m (W1 – W2)
(100 – W2) , kg ẩm
Trong đó: m – Khối lượng thóc tươi cần sấy, m = 200 kg
29
W1 – Độ ẩm của thóc tươi, W1 = 27%
W2 – Độ ẩm của thóc khô thành phẩm, W2 =13%
=> mW = 200 x (27 – 13)
(100 – 13) = 32,18 (kg)
* Lượng ẩm cần tách trong 1 giờ:
g = mW /t ,
kg/h
Trong đó: t – Thời gian sấy: t = (W2- W1)
ω (h);
Với ω – Tốc độ sấy (%/h), đối với sấy đối lưu tự nhiên, chọn ω = 0,9%/h
t = (27 - 13)
0.9 = 15,6 (h) ; Ta chọn thời gian sấy: t = 16 h.
=>
g = mW /t
= 32,18 / 16 = 2,01 (kg ẩm /h)
* Tính toán cân bằng nhiệt - ẩm quá trình sấy:
+ Trạng thái không khí trước collector:
Với t1 = 300C; ϕ1 = 80%; tra phụ lục [3] có ps1 = 0,04142 bar
Độ chứa ẩm của không khí tự nhiên:
d1 = 0,622. ϕ1Ps1
P- ϕ1Ps1 = 0,622 . 0.8x0.04241
1-0.8x0.04241 = 0,022 (kg/kgKK)
Entanpi của không khí tự nhiên là :
I1 = Cpk. t1 +d1 (r+Cph.t1), kJ/kgKK
Trong đó: Cpk ≈ 1kJ/kgKK – Nhiệt dung riêng của không khí khô;
Cph ≈ 1,93kJ/kgKK – Nhiệt dung riêng của hơi nước;
r ≈ 2500 kJ/kg – Nhiệt ẩn hóa hơi của nước.
=> I1 = 1. 30 + 0,022 (2500 +1,93. 30) = 86,3 (kJ/kgKK)
+ Trạng thái không khí cuối collector:
Chọn t2 = 700C; tra phụ lục [3] có ps2 = 0,3117 bar
Xem hệ thống là kín, có d1 = d2 nên I2 = Cpk.t2 +d2 (r+ Cph.t2)
I2 = 1.70 +0,022 (2500 +1,93. 70) = 127,97 (kJ/kgKK)
Tính ϕ2 = d2P
(0,622+d2)Ps2 .100% = 0.022x1
(0.622+0.022)x0.3117 .100% = 11 (%)
+ Trạng thái không khí cuối quá trình sấy:
Trạng thái này xác định bởi I3 = I2, chọn t3 = 380C, => Ps3 = 0,06674 bar
30
=> d3 = I3- t3
2500+1.93t3 = 127.97- 38
2500+1.93x38 = 0,035 (kg/kgKK)
ϕ3 = d3P
(0.622+d3)Ps3 100% = 0.035x1
(0.622+0.035)x0.06674 . 100% = 80%
+ Tiêu hao không khí lý thuyết:
l0 = 1
d3-d1 = 1
0.035-0.022 = 76 (kgKK/kg ẩm)
Nếu xem hệ thống là kín thì lượng không khí khô cần thiết để sấy 200 kg thóc từ
độ ẩm 27% đến độ ẩm 13% là:
mL = mW. l0 = 32,18 . 76 = 2445,7 (kgKK)
Tra phụ lục [3], ta tính được tổng thể tích không khí ẩm qua collector là:
V = mL .v0 = 2445,7 . 0,951 = 2325,9 (m3)
=> Thể tích không khí đi qua collector trong một giây là:
v = 2325,9/ 16. 3600 = 0,0404 (m3/s)
Tỷ trọng của không khí được tính như sau:
ρ = 99333
(287+462xd1)x(273+t1) = 99333
(287+462x0,022)x(273+30) = 1,224 (kg/m3)
* Với các số liệu tính được, ta có: v = 0,0404 m3/s; ρ = 1,224 kg/m3; CP = 1,005
KJ/kgKK; ∆t (kk)= 40 oC; En, = 900 W/m2; chọn ηC = 0,30. Vậy diện tích của
collector:
AC = v.ρ.CP.∆t
ηC.En = 0.0404x1.224x1.005x1000x40
0.30x900 = 7,36 (m2)
Do chọn mô hình thí nghiệm theo nguyên lý sấy hỗn hợp đối lưu tự nhiên, nên lấy
diện tích của Collector 1 (sấy gián tiếp): S1 = 3,4m2; diện tích của Collector 2 (buồng sấy
trực tiếp): S2 = 4m2
* Diện tích sàn sấy: S = m/ γ. a , m2
Trong đó: γ – Tỷ trọng của thóc, γ = 530 kg/m3;
a – Bề dày lớp thóc sấy, chọn a = 0,08 m.
=> S = 200/530 . 0,08 = 3,8 (m2). Ta chọn diện tích sàn sấy là 4 m2.
3.3 Chế tạo mô hình thiết bị sấy thóc sử dụng NLMT, năng suất 200 kg/mẻ
Hình ảnh mô hình thiết bị sấy để khảo nghiệm được thể hiện ở hình 1:
31
Hình 1. Hình
ả
nh c
ủ
a mô hình kh
ả
o nghi
ệ
m s
ấ
y thóc 200 kg/m
ẻ
.
1. Tôn m
ạ
k
ẽ
m s
ơ
n
đ
en; 2. T
ấ
m kính trong su
ố
t; 3. G
ỗ
t
ạ
p dày 3 mm;
4. T
ấ
m ph
ủ
trong su
ố
t; 5. Khung s
ắ
t V.
3.4. Khảo nghiệm
Sau khi chế tạo mô hình, chúng tôi đã tiến hành khảo nghiệm với sản phẩm sấy
là thóc tươi (giống XL). Bề dày lớp thóc sấy là 10 cm; diện tích sấy là 4 m2; độ ẩm
không khí tự nhiên 80%; nhiệt độ cao nhất trong ngày là 370C, trời nắng không mưa.
Hình 2.
Đườ
ng cong gi
ả
m
ẩ
m c
ủ
a các l
ớ
p h
ạ
t.
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
8h00
9h00
10h00
11h00
12h00
13h00
14h00
15h00
16h00
8h00
9h00
10h00
11h00
12h00
13h00
14h00
15h00
16h00
T, h
W,%
L
ớ
p trên
L
ớ
p gi
ữ
a
L
ớ
p d
ướ
i
T Bình
Ngày s
ấ
y th
ứ
hai
Ngày s
ấ
y th
ứ
nh
ấ
t
2
1
3
4
5
4
5