Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Sấy Lạnh Bơm Nhiệt Năng Suất 650kg/mẻ - TS. Lê Như Chính

Đồ án sấy lạnh bơm nhiệt 650kg/mẻ. Trình bày chi tiết cơ sở lý thuyết, quy trình tính toán thiết kế và lựa chọn các thiết bị cho hệ thống sấy.

• Tác giả: Trầm Quang Tuấn
• Người hướng dẫn: TS. Lê Như Chính
• Trường học: Trường Đại Học Nha Trang
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Nhiệt Lạnh
• Đề tài: Phương Pháp Sấy Lạnh Bằng Bơm Nhiệt Năng Suất 650kg/mẻ
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Nha Trang

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Công Nghệ Sấy Lạnh Bơm Nhiệt

Sấy lạnh bơm nhiệt là phương pháp sấy tiên tiến sử dụng năng lượng tái tạo để bảo tồn chất lượng nguyên liệu. Đề tài Sấy Lạnh Bơm Nhiệt 650kg/mẻ được thực hiện tại Trường Đại học Nha Trang, Khoa Cơ Khí, dưới hướng dẫn của TS. Lê Như Chính. Hệ thống này kết hợp công nghệ bơm nhiệt hiện đại với quy trình sấy khống chế nhiệt độ thấp, giúp giảm thiểu tổn thất dinh dưỡng và duy trì màu sắc tự nhiên của sản phẩm. Công nghệ này áp dụng rộng rãi trong sấy cà rốt, nông sản và các sản phẩm thực phẩm khác. Việc sử dụng bơm nhiệt không chỉ tiết kiệm năng lượng mà còn thân thiện với môi trường, giảm khí thải carbon.

1.1. Khái Niệm Về Bơm Nhiệt Trong Sấy Lạnh

Bơm nhiệt là thiết bị chuyển đổi năng lượng, hút nhiệt từ không khí lạnh và chuyển sang dàn nóng để gia nhiệt tác nhân sấy. Trong hệ thống sấy lạnh 650kg/mẻ, bơm nhiệt hoạt động theo chu trình thermodynamic, sử dụng môi chất lạnh để trao đổi nhiệt hiệu quả. Công suất làm lạnh của bơm nhiệt được tính dựa trên lượng ẩm cần bốc hơi và điều kiện sấy. Nguyên lý hoạt động bao gồm nén khí, ngưng tụ, giãn nở và bay hơi, tạo vòng tuần hoàn liên tục.

1.2. Phân Loại Hệ Thống Sấy Lạnh

Hệ thống sấy lạnh được phân loại thành ba loại chính: sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 0°C (sấy thăng hoa, sấy chân không), sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 0°C (sấy thường quy), và hệ thống kết hợp bơm nhiệt. Đề tài này tập trung vào hệ thống sấy lạnh bơm nhiệt hoạt động ở nhiệt độ cao hơn 0°C, phù hợp với sấy cà rốt và các loại nông sản tươi khác, đảm bảo chất lượng sản phẩm cao nhất.

II. Quy Trình Công Nghệ Sấy Cà Rốt Công Suất 650kg Mẻ

Quy trình sấy cà rốt 650kg/mẻ bao gồm các bước chuẩn bị vật liệu, thiết lập chế độ sấy và kiểm soát thông số kỹ thuật. Ban đầu, cà rốt được rửa sạch, cắt thành những miếng có kích thước đồng đều (thường 5-10mm), sau đó được sắp xếp trên khay sấy với mật độ hợp lý. Ẩm độ ban đầu của cà rốt tươi khoảng 85-90%, cần được giảm xuống 8-10% để bảo quản lâu dài. Nhiệt độ sấy được duy trì ở mức 50-60°C, tốc độ quạt được điều chỉnh để đảm bảo luồng khí thích hợp. Quá trình sấy được chia thành các giai đoạn: tăng nhiệt độ, sấy chính và sấy hoàn thành, tổng thời gian sấy khoảng 12-16 giờ tùy điều kiện.

2.1. Xác Định Các Thông Số Đầu Vào Của Vật Liệu

Thành phần dinh dưỡng của cà rốt tươi bao gồm nước 85-90%, carbohydrate 8-10%, protein 0.9%, lipit 0.2%, và các chất khoáng khác. Kích thước vật liệu được cắt thành hình khối 5x5x10mm hoặc lát mỏng 3mm để tăng tốc độ sấy. Ẩm độ ban đầu được xác định bằng phương pháp cân lạc ẩm hoặc phương pháp ngoài, đạt độ chính xác cao. Màu sắc ban đầu thường là cam đỏ, mùi tự nhiên của cà rốt tươi.

2.2. Lựa Chọn Chế Độ Sấy Phù Hợp

Hai chế độ sấy chính được áp dụng: chế độ hồi lưu hoàn toàn (toàn bộ khí thải được tái sử dụng) và chế độ thải bỏ tác nhân (một phần khí thải được thoát ra ngoài). Chế độ hồi lưu hoàn toàn tiết kiệm năng lượng hơn nhưng yêu cầu khống chế độ ẩm tốt. Chế độ thải bỏ cho sấy nhanh hơn, phù hợp với sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ. Chọn nhiệt độ sấy 50-60°C giúp bảo tồn carotenoid (sắc tố cam) và các chất dinh dưỡng.

III. Tính Toán Thiết Kế Hệ Thống Bơm Nhiệt

Tính toán hệ thống bơm nhiệt 650kg/mẻ bao gồm xác định thông số nhiệt độ, tính chu trình bơm nhiệt, và chọn các thiết bị trao đổi nhiệt. Lượng ẩm bốc hơi được tính từ chênh lệch độ ẩm: với 650kg cà rốt tươi ẩm độ 88% xuống 10%, cần loại bỏ khoảng 507kg nước. Lượng không khí khô cần thiết được xác định dựa trên khả năng hút ẩm của không khí ở từng nhiệt độ. Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp được tính từ năng lượng cần thiết để bay hơi nước và gia nhiệt vật liệu. Công suất máy nén được chọn sao cho đủ khả năng sáng tạo chênh lệch áp suất và lưu lượng môi chất lạnh thích hợp.

3.1. Tính Toán Chu Trình Bơm Nhiệt

Chu trình bơm nhiệt gồm 4 quá trình: nén đẳng entropi (K→1), ngưng tụ đẳng áp (1→2), giãn nở đẳng entropi (2→3), và bay hơi đẳng áp (3→K). Chọn môi chất lạnh phù hợp (thường R22, R134a hoặc R404A), xác định áp suất ngưng tụ dựa trên nhiệt độ dàn nóng (60-70°C), áp suất bay hơi từ nhiệt độ dàn lạnh. Hệ số hiệu suất năng lượng COP được tính để đánh giá hiệu quả của bơm nhiệt, thường đạt 3-5 trong điều kiện sấy lạnh.

3.2. Tính Toán Và Lựa Chọn Thiết Bị Chính

Dàn lạnh được tính dựa trên diện tích và mũi độ để đạt công suất làm lạnh yêu cầu (khoảng 15-20kW). Dàn nóng được thiết kế để cung cấp nhiệt cho quá trình sấy, công suất 25-30kW. Máy nén được chọn loại tuần hoàn dầu hoặc không dầu, với công suất 10-15kW. Bình tích tụ dung tích 50-100L để ổn định áp suất hệ thống. Đường ống dẫn môi chất được chọn loại đồng DIN 8950, kích thước phù hợp với lưu lượng.

IV. Kết Quả Khảo Nghiệm Và Đánh Giá Hệ Thống

Kết quả khảo nghiệm thực tế hệ thống sấy lạnh bơm nhiệt 650kg/mẻ cho thấy sự phù hợp giữa lý thuyết và thực hành. Sản phẩm cà rốt sấy đạt chất lượng cao với ẩm độ cuối 8-10%, màu sắc cam đẹp được bảo tồn, hàm lượng carotenoid giảm ít hơn so với sấy nóng thông thường (giảm chỉ 15-20% thay vì 40-50%). Thời gian sấy thực tế khoảng 14-16 giờ, phù hợp với dự tính lý thuyết. Tiêu thụ điện năng khoảng 40-50kWh cho một mẻ sấy, chi phí thấp hơn 30% so với sấy nóng truyền thống. Hệ thống hoạt động ổn định, bơm nhiệt duy trì COP ổn định ở mức 3.5-4.0. Sản phẩm không có mùi khét hoặc tổn thương cơ lý, phù hợp tiêu chuẩn xuất khẩu.

4.1. So Sánh Với Các Phương Pháp Sấy Khác

Sấy lạnh bơm nhiệt so với sấy nóng thông thường: tiết kiệm năng lượng 30-40%, bảo tồn dinh dưỡng tốt hơn 25-35%, sản phẩm màu sắc đẹp hơn. So với sấy thăng hoa: chi phí đầu tư thấp hơn 40-50%, tốc độ sấy nhanh hơn, nhưng cần khống chế ẩm độ tốt hơn. So với sấy chân không: công suất xử lý lớn hơn, thích hợp sản xuất công nghiệp quy mô, chi phí vận hành thấp hơn đáng kể.

4.2. Ưu Điểm Và Hạn Chế Của Hệ Thống

Ưu điểm: tiết kiệm năng lượng cao nhờ bơm nhiệt tái sử dụng nhiệt, chất lượng sản phẩm tuyệt vời, môi trường thân thiện, sản suất ổn định 650kg/mẻ. Hạn chế: yêu cầu đầu tư ban đầu cao (khoảng 200-300 triệu đồng), cần kỹ thuật viên lành nghề, khối lượng vật liệu sấy cần đồng đều. Khuyến nghị: phù hợp cho sản xuất nông sản chất lượng cao, nho khô, trái cây sấy, và các sản phẩm thực phẩm hữu cơ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH 1. Giới thiệu phương pháp sấy lạnh 1. Khái niệm về bơm nhiệt 1. Lịch sử hình thành và phát triển của bơm nhiệt Bơm nhiệt - Có quá trình phát triển lâu dài, bắt đầu từ khi Nicholas Carnot đề xuất những khái niệm đầu tiên.

Một dòng nhiệt thông thường di chuyển từ một vùng nóng đến một vùng lạnh, Carnot đưa ra lập luận rằng một thiết bị có thể được sử dụng để đảo ngược quá trình đó là bơm nhiệt. Đầu những năm 1850, Lord Kelvin đã phát triển các lý thuyết về bơm nhiệt bằng lập luận, các thiết bị làm lạnh có thể đƣợc sử dụng để gia nhiệt. Sản phẩm bơm nhiệt đầu tiên đƣợc bán vào năm 1952. Từ khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới.

Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cỡ cho các ứng dụng khác nhau đƣợc nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị trường. Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa không khí, sấy, hút ẩm, đun nước… 1. Giới thiệu các phương pháp sấy lạnh - Trong phương pháp sấy lạnh, ngƣời ta ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lƣợng chứa ẩm. Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt ngoài nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với không khí có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên lớp bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía bên trong vật.

Nói khác đi, ở đây gradient nhiệt độ và gradient áp suất có cùng dấu nên gradient nhiệt độ không kìm hãm quá trình dịch chuyển ẩm như khi sấy nóng mà ngược lại, nó có tác dụng tăng cường quá trình dịch chuyển ẩm trong long vật ra ngoài để bay hơi làm khô vật. Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể lớn hơn hay nhỏ hơn nhiệt độ môi trường hoặc cũng có thể nhỏ hơn 0o. - Quá trình truyền nhiệt thực hiện được thông qua sự thay đổi pha làm việc của môi chất lạnh. Môi chất lạnh trong giàn bay hơi hấp thụ nhiệt và bay hơi ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp.

Khi hơi môi chất lạnh ngƣng tụ ở nhiệt độ cao, áp suất cao tại dàn ngưng tụ, nó thải nhiệt ở áp suất cao hơn. Khi sử dụng trong quá trình sấy, hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt làm lạnh không khí của quá trình đến điểm bão hòa, và sau đó ngƣng tụ nƣớc (khử ẩm), do đó làm tăng khả năng sấy của không khí. Trong quá trình này chỉ tuần hoàn mức nhiệt thấp (nhiệt hiện và nhiệt ẩn) từ không khí. Cấu trúc của dàn bay hơi và dàn ngƣng tụ được bố trí như hình vẽ (hình 1.

Trong trường hợp thứ nhất (hình 1-2.a), máy sấy lạnh hoạt động vừa như một máy khử ẩm vừa nhƣ một bộ gia nhiệt không khí. Trong cách bố trí thứ hai (hình 1-2.b), dàn bay hơi được xen vào dòng không khí ẩm trong khi không khí sạch lại được đưa toàn bộ vào dàn ngưng tụ. Việc sắp xếp theo kiểu này, nhiệt ẩn (cùng với một lượng lớn nhiệt hiện) được hồi lưu bằng cách khử ẩm khí thải và truyền cho tác nhân sấy quá trình thông qua dàn ngưng tụ. Mô hình này thích hợp khi không khí môi trường khô (độ ẩm tương đối thấp), nhưng nó lại không kinh tế, bởi vì dòng khí thải tương tự như không khí bên trong.

Trong cả hai mô hình trên, khí thải từ buồng sấy có thể đƣợc hồi lưu lại đi đến dàn bay hơi nghĩa là không khí có thể tuần hoàn toàn bộ hay từng phần. Ta có đồ thị quá trình sấy như hình 1-3 tƣơng ứng với hai trƣờng hợp bố trí trên hình 1-2. Sơ đồ nguyên lý, đặc điểm truyền nhiệt và truyền chất của hệ thống sấy lạnh 1. Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy lạnh - Khác với phương pháp sấy nóng, trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm.

Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt ngoài của vật nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với không khí có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía bên trong vật. - Nói khác đi, ở đây gradient nhiệt độ và gradient áp suất có cùng dấu nên gradient nhiệt độ không kìm hãm quá trình dịch chuyển ẩm như khi sấy nóng mà ngược lại, nó có tác dụng tăng cường quá trình dịch chuyển ẩm trong lòng vật ra ngoài để bay hơi làm khô vật. Khi đó ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn nhiệt độ môi trường hoặc cũng có thể nhỏ hơn 0oC 1. Đặc điểm quá trình truyền nhiệt và truyền chất - Trong kỹ thuật sấy lạnh, thế sấy của không khí tăng nhờ quá trình tách ẩm ở dàn bốc hơi và quá trình gia nhiệt bằng chính dàn ngưng tụ trong các máy lạnh.

Yếu tố có tính quyết định ở đây là quá trình làm lạnh không khí trong dàn lạnh, từ đây sẽ nhận được không khí có nhiệt độ và độ chứa hơi (d) nhỏ đảm bảo cho quá trình truyền nhiệt, truyền chất giữa vật sấy và tác nhân sấy trong buồng sấy xẩy ra ở điều kiện gradient nhiệt độ và gradient áp suất cùng chiều, không có giai đoạn nào xẩy ra hiệu ứng Luikov A. cản trở quá trình sấy nhƣ trong phương pháp sấy nóng. Vì vậy, ngoài việc tính toán, thiết kế hệ thống nói chung thì điều tối cần thiết là chế độ làm việc của dàn lạnh hay nói cách khác là khả năng tối ưu nhất của dàn lạnh có tầm quan trọng đặc biệt. - Trong kỹ thuật sấy lạnh, để tăng cường tách ẩm cho hệ thống, không khí sấy trải qua giai đoạn tách ẩm ở dàn lạnh, vì thể ẩm trong không khí có thể tồn tại ở ba dạng hơi,lỏng và rắn, với dung ẩm ở dạng hơi dh, dạng lỏng dl và dạng rắn dr , entanpi H của không khí ẩm: H= tb + (2500+1,93tb)dh + 4,18d1tb + (-335+2,1 tb)dr , kJ/kgkk (1.1) Trong quá trình khử ẩm ở dàn lạnh, chiều dài đường đi của dòng không khí là yếu tố có tính quyết định, theo đó mà lưu lượng thể tích không khí cũng như công suất nhiệt - Trao đổi sẽ thay đổi, không khí đƣợc làm lạnh đến nhiệt độ điểm sƣơng ts.

Trên một đơn vị dài quan hệ truyền nhiệt, truyền chất này có thể biểu diễn dƣới dạng: Trong đó * c ’ - nhiệt dung riêng thể tích của không khí ẩm ở nhiệt độ khí quyển (c =1,23 kJ/m3K). * r - Nhiệt ngưng tụ (r=2500 kJ/kg đối với hơi nước ở 0 0C). - Là nước ngưng theo đường 100% (ứng với 1m3 không khí ẩm khi nhiệt độ giảm đi 1K) và thay đổi nhanh qua nhiệt độ theo biểu thức: Trong đó: - Ph- áp suất hơi bão hòa của hơi nƣớc tương ứng với nhiệt độ của không khí ẩm. - Hằng số R đối với hơi nƣớc trong không khí ẩm: R=8314/18=861,89 J/kgK - Mặt khác có thể tính nhiệt lượng do không khí truyền cho môi chất lạnh tương ứng với mỗi đơn vị dài của thiết bị bay hơi bơm nhiệt: Với K1 là hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi [W/mK].

Từ các cơ sở trên ta có quan hệ: Là thông số đặc trưng cho công suất của thiết bị bốc hơi của bơm nhiệt (thường khoảng 1kJ/m3K), X[m] là chiều sâu của thiết bị bốc hơi, X0 [m] là khoảng cách từ đầu thiết bị vào thiết bị bốc hơi đến điểm xuất hiện quá trình ngưng đọng ẩm, Ts là nhiệt độ động sương, các chỉ số 1 và 2 là kí hiệu đầu vào và ra của không khí qua thiết bị bốc hơi. Phân loại hệ thống sấy lạnh 1. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 00C a. Hệ thống sấy thăng hoa Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn biến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa.

Để tạo ra quá trình thăng hoa, vật liệu sấy được làm lạnh dưới điểm ba thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu t < 00C, áp suất tác nhân sấy bao quanh vật P< 620 Pa [19]. Từ đó, vật liệu sấy nhận được nhiệt llượng để ẩm từ trạng thái rắn thăng hoa thành thể khí vào môi trường. Như vậy, trong các hệ thống sấy thăng hoa phải tạo được chân không trong vật liệu sấy và làm lạnh vật xuống dưới 0oC. Ưu điểm: Phương pháp gần như bảo toàn được chất lượng sinh, hóa học của sản phẩm (màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính,…) Nhược điểm: - Chi phí đầu tải cao, phải dùng đồng thời bơm chân không, máy lạnh (để kết đông sản phẩm và làm ngưng kết hơi nước) - Hệ thống cồng kềnh nên vận hành phức tạp, chi phí vận hành và bảo dưỡng cao.

Sấy thăng hoa thƣờng được ứng dụng để sấy sản phẩm quý, dễ biến chất do nhiệt như: máu, vắc xin, mít, nhãn, vv… b. Hệ thống sấy chân không Phương pháp sấy chân không là phương pháp tạo ra môi trường gần như chân không trong buồng sấy, nghĩa là nhiệt độ vật liệu t < 0oC, áp suất tác nhân sấy bao quanh vật P > 610 Pa. Khi nhận được nhiệt lượng, các phần tử nước trong vật liệu sấy ở thể rắn sẽ chuyển sang thể lỏng, sau đó mới chuyển sang thể hơi và đi vào môi trƣờng. Ưu điểm: Phương pháp này giữ được chất lượng sản phẩm, đảm bảo điều kiện vệ sinh.

Nhược điểm: Hệ thống có chi phí đầu tư lớn, vận hành phức tạp. - Phương pháp sấy chân không thường chỉ sấy các loại vật liệu sấy là các sản phẩm quý, dễ biến chất. - Do tính phức tạp và không kinh tế nên các hệ thống sấy thăng hoa và hệ thống sấy chân không chỉ dùng để sấy những vật liệu quí hiếm, không chịu được nhiệt độ cao. Vì vậy, các hệ thống sấy này là những hệ thống sấy chuyên dùng, không phổ biến.

Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 00C a) Phương pháp sử dụng máy hút ấm chuyên dụng kết hợp với máy lạnh Phương pháp này sử dụng máy hút ẩm kết hợp với máy lạnh, để tạo ra môi trường sấy có nhiệt độ khá thấp, có thể bằng hoặc bé hơn nhiệt độ môi trường từ 5 đến 150C.