Nghiên cứu ứng dụng thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02<br /> <br /> NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ SẤY<br /> DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI<br /> Hoàng Dương Hùng<br /> Trường Đại học Quảng Bình<br /> Tóm tắt. Năng lượng và vấn đề sử dụng năng lượng đang là mối quan tâm rất lớn của mọi<br /> quốc gia. Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng sạch và được xem là một trong<br /> những nguồn năng lượng chính trong tương lai. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các<br /> thiết bị sấy sử dụng NLMT và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế đang là vấn đề có tính thời<br /> sự. Hiện nay trong nước và trên thế giới đã nghiên cứu, chế tạo nhiều loại thiết bị sấy NLMT.<br /> Tuy nhiên, do đặc điểm của NLMT là chỉ được cung cấp khi có nắng nên quá trình cấp nhiệt cho<br /> sản phẩm sấy không được ổn định và liên tục nên việc triển khai các thiết bị sấy NLMT trong<br /> thực tế còn rất hạn chế. Bài báo này đưa ra kết quả nghiên cứu triển khai thực nghiệm thiết bị<br /> sấy NLMT có sử dụng chất trữ nhiệt trong việc sấy một số loại hải sản.<br /> Từ khóa: Thiết bị sấy; năng lượng mặt trời; sấy hải sản; trữ nhiệt; quá trình sấy<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Hiện nay việc nghiên cứu ứng dụng các thiết bị cung cấp nhiệt bằng NLMT phục vụ<br /> sản xuất công, nông nghiệp trên thế giới phát triển rất nhanh nhằm đảm bảo cung cấp<br /> nguồn năng lượng sạch để bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, việc ứng dụng NLMT trong<br /> thực tế còn rất khiêm tốn. Nguyên nhân chính là chưa thể thương mại hóa các thiết bị và<br /> công nghệ sử dụng NLMT vì còn tồn tại một số hạn chế lớn chưa được giải quyết như:<br /> giá thành thiết bị còn cao, hiệu suất thiết bị còn thấp, phụ thuộc vào vị trí địa lý lắp đặt<br /> thiết bị, cần không gian đủ lớn để đặt thiết bị… nhất là việc không đảm bảo độ tin cậy<br /> của các thiết bị sử dụng NLMT vì tính không ổn định, không liên tục của nó [1].<br /> Việt Nam là nước nông nghiệp, có nguồn lợi thủy, hải sản phong phú và đa dạng. Vì<br /> vậy, quy trình sấy khô nhằm bảo quản chất lượng hải sản là rất quan trọng. Từ trước tới<br /> nay, người dân Việt Nam đã và đang sử dụng NLMT để sấy dưới dạng phơi nắng ngoài<br /> trời, phương pháp này có quá nhiều hạn chế như: phụ thuộc vào thời tiết, mất vệ sinh,<br /> mất nhiều thời gian, có thể đến 2, 3 ngày nắng nên sản phẩm khó đạt được chất lượng<br /> cao. Do vậy, cần nghiên cứu một thiết bị sấy NLMT có thể sấy liên tục bằng cách sử<br /> dụng các chất chuyển pha (PCM) có khả năng trữ nhiệt cao để cấp nhiệt cho quá trình sấy<br /> các loại hải sản với giá thành hợp lý, phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam.<br /> 2. THIẾT BỊ SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG CHẤT CHUYỂN PHA<br /> 2.1. Mô tả thiết bị<br /> Mô hình thiết bị sấy nghiên cứu được mô tả như Hình 1: Hệ thống thiết bị sấy gồm<br /> hai khối chính là thiết bị Collector dùng Paraffin tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời và<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02<br /> <br /> thiết bị buồng sấy được kết nối với nhau bằng hệ thống kênh dẫn khí nóng. Cả thiết bị sấy<br /> lẫn thiết bị tích trữ nhiệt đều hấp thụ nguồn năng lượng mặt trời và làm việc đồng thời<br /> trong quá trình sấy sản phẩm [4].<br /> 2.2. Nguyên lý hoạt động<br /> Khi trời có nắng, vật liệu sấy được sấy trực tiếp bằng năng lượng mặt trời, Paraffin<br /> tích trữ nhiệt năng lượng mặt trời chuyển pha từ rắn sang lỏng. Khi cường độ bức xạ mặt<br /> trời giảm vào cuối ngày, vật liệu sấy tiếp tục được sấy bằng không khí nóng được gia<br /> nhiệt ở Collector, khi đó Paraffin sẽ giải phóng lượng nhiệt tích trữ được cho không khí<br /> và chuyển pha từ lỏng sang rắn.<br /> <br /> Hình 1. Mô hình thiết bị sấy cá NLMT có dùng chất Paraffin để trữ nhiệt<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02<br /> <br /> 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG<br /> <br /> SẤY<br /> <br /> Thiết bị được sử dụng tính toán<br /> nghiên cứu trong bài báo này là một hệ<br /> thống sấy cá có công suất 15kg/mẻ, thời<br /> gian<br /> sấy 15giờ (G = 1kg/h). Độ ẩm của cá trước<br /> và<br /> ω2 =<br /> sau quá trình sấy tương ứng là ω1=75%,<br /> 10%. Không khí trước khi vào Collector có<br /> nhiệt<br /> 0<br /> độ t0=30 C, độ ẩm tương đối ϕ0 =77%,<br /> p=0,98bar. Cường độ bức xạ mặt trời trung<br /> bình<br /> cực đại trong ngày ở Đà Nẵng là<br /> En=940W/m2. Nhiệt độ tác nhân sấy trước<br /> khi<br /> vào buồng sấy (sau khi ra khỏi Collector)<br /> là t1<br /> = 450C, sau khi ra khỏi buồng sấy t2=320C.<br /> Collector có kích thước a x b x<br /> h=1200x1600x250mm, trong đó có đặt 13<br /> ống<br /> đựng PCM có đường kính Φ60/57mm, dài<br /> Hình 2. Cấu tạo collector<br /> 1500mm. Trong ống có nhồi phoi kim loại.<br /> Khối<br /> lượng PCM là 45kg. Collector có nhiệm vụ<br /> hấp<br /> thụ ánh sáng mặt trời để gia nhiệt cho không khí và gia nhiệt cho PCM. Trong Collector<br /> có lắp một nhiệt kế để đo nhiệt độ không khí và PCM trong Collector. Kích thước chi tiết<br /> của Collector được thể hiện trên Hình 2.<br /> Buồng sấy có kích thước a x b x h = 820x420x1000mm. Chiều cao chân đế là<br /> 600mm. Trong buồng sấy có đặt kệ sấy với<br /> 4 khay sấy. Kệ sấy làm bằng thép, có 4<br /> tầng,<br /> kích<br /> thước<br /> mỗi<br /> tầng<br /> là<br /> 800x400x150mm. Khay sấy làm bằng lưới<br /> thép viền khung gỗ, kích thước<br /> 650x400mm. Khoảng hở ở đầu kệ sấy, giữa<br /> kệ và khay sấy là 150mm, mục đích là tạo<br /> đường đi cho luồng không khí nóng. Như<br /> vậy không khí nóng chuyển động song song<br /> với các khay sấy và được dẫn đi theo 4 pass<br /> như Hình 1.<br /> Hình 3. Kích thước thiết bị sấy<br /> <br /> Sau khi tính toán với chất trữ nhiệt là<br /> Paraffin và tính chọn các thông số, tổng hợp<br /> <br /> lại ta có các thông số của Collector như sau:<br /> Bảng 1. Các thông số thiết kế của Collector<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02<br /> <br /> Thông số<br /> Collector đã<br /> tính chọn<br /> <br /> Ký<br /> hiệu<br /> <br /> Giá trị<br /> <br /> Đơn<br /> vị<br /> <br /> Thông số<br /> Collector đã<br /> tính chọn<br /> Lượng phoi<br /> kim loại nhồi<br /> vào mỗi ống<br /> <br /> Ký<br /> hiệu<br /> <br /> Giá<br /> trị<br /> <br /> Đơn<br /> vị<br /> <br /> mphoi<br /> <br /> 0,3<br /> <br /> kg<br /> <br /> Khối lượng<br /> Paraffin<br /> <br /> mpf<br /> <br /> 45<br /> <br /> kg<br /> <br /> Khối lượng riêng<br /> Paraffin<br /> <br /> ρpf<br /> <br /> 910<br /> <br /> kg/m3<br /> <br /> Chiều rộng<br /> Collector<br /> <br /> l<br /> <br /> 1.2<br /> <br /> m<br /> <br /> Nhiệt dung riêng<br /> đẳng áp Paraffin<br /> rắn<br /> <br /> Cppfr<br /> <br /> 2900<br /> <br /> J/kgK<br /> <br /> Chiều dài<br /> Collector<br /> <br /> r<br /> <br /> 1.6<br /> <br /> m<br /> <br /> Nhiệt dung riêng<br /> đẳng áp Paraffin<br /> lỏng<br /> <br /> Cppfl<br /> <br /> 2930<br /> <br /> J/kgK<br /> <br /> Chiều cao<br /> Collector<br /> <br /> δ<br /> <br /> 0.2<br /> <br /> m<br /> <br /> Nhiệt chuyển<br /> pha của Paraffin<br /> <br /> rc<br /> <br /> 189000<br /> <br /> J/kgK<br /> <br /> Chiều dày thép<br /> làm Collector<br /> <br /> δt<br /> <br /> 0,002<br /> <br /> m<br /> <br /> Nhiệt độ nóng<br /> chảy của<br /> Paraffin<br /> <br /> tc<br /> <br /> 60<br /> <br /> C<br /> <br /> Chiều dày tấm<br /> kính<br /> <br /> δK<br /> <br /> 0.005<br /> <br /> m<br /> <br /> Đường kính<br /> ngoài ống đựng<br /> Paraffin<br /> <br /> dông<br /> <br /> 0.06<br /> <br /> m<br /> <br /> Hệ số dẫn nhiệt<br /> tấm kính<br /> <br /> λK<br /> <br /> 0.8<br /> <br /> W/m<br /> K<br /> <br /> Đường kính<br /> trong ống đựng<br /> Paraffin<br /> <br /> dôtr<br /> <br /> 0.057<br /> <br /> m<br /> <br /> Độ trong tấm<br /> kính<br /> <br /> D<br /> <br /> 0.95<br /> <br /> Chiều dài ống<br /> đựng Paraffin<br /> <br /> hô<br /> <br /> 1.5<br /> <br /> m<br /> <br /> Độ đen tấm hấp<br /> phụ<br /> <br /> ε<br /> <br /> 0.95<br /> <br /> Chiều dày ống<br /> đựng Paraffin<br /> <br /> δô<br /> <br /> 0.0015<br /> <br /> m<br /> <br /> Chiều dày lớp<br /> cách nhiệt<br /> <br /> δcn<br /> <br /> 0. 05<br /> <br /> m<br /> <br /> Khối lượng riêng<br /> của thép làm ống<br /> Paraffin và<br /> Collector<br /> <br /> ρt<br /> <br /> 7850<br /> <br /> kg/m3<br /> <br /> Hệ số dẫn nhiệt<br /> lớp cách nhiệt<br /> <br /> λcn<br /> <br /> 0.055<br /> <br /> W/m<br /> K<br /> <br /> Nhiệt dung riêng<br /> của thép làm ống<br /> <br /> Cpt<br /> <br /> 500<br /> <br /> J/kgK<br /> <br /> Tốc độ dòng<br /> không khí qua<br /> <br /> ωkk<br /> <br /> 1<br /> <br /> m/s<br /> <br /> 0<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02<br /> <br /> Paraffin và<br /> Collector<br /> Nhiệt độ môi<br /> trường<br /> <br /> Collector<br /> <br /> tf<br /> <br /> 30<br /> <br /> 0<br /> <br /> C<br /> <br /> Cường độ bức<br /> xạ mặt trời lớn<br /> nhất trong ngày<br /> <br /> En<br /> <br /> 940<br /> <br /> W/m<br /> 2<br /> <br /> 4. KẾT QUẢ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM<br /> 4.1. Hệ thống thiết bị sấy thực<br /> <br /> Buồng sấy<br /> Bộ thu nhiệt có dùng chất trữ nhiệt<br /> <br /> Hình 4. Hệ thống thiết bị thí nghiệm sấy cá<br /> <br /> Hệ thống thiết bị sấy cá công suất 15kg/mẻ gồm các thiết bị chính như Hình 4. Kích<br /> thước các thiết bị của hệ thống được chế tạo dựa trên các tính toán thiết kế ở mục 3.<br /> 4.2. Kết quả thí nghiệm sấy cá trên mô hình thiết bị<br /> Thiết bị thí nghiệm được tiến hành sấy không tải và sấy có tải với loại cá trích và cá<br /> giò nhiều mẻ (từ 7h đến 22h ) trong nhiều ngày để điều chính các thông số thực nghiệm<br /> hợp lý. Kết quả đo đạc của một ngày sấy cá với cường độ bức xạ mặt trời En = 920 W/m2<br /> được ghi lại như đồ thị Hình 5 và Hình 6.<br /> Sản phẩm cá trước lúc sấy và sau khi sấy được chụp lại như Hình 7 [2].<br /> <br />