HCMUTE Thiết Kế Lò Sấy Gỗ Sử Dụng Năng Lượng Mặt Trời

• Tác giả: Nguyễn Văn Tú
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Cơ Khí Chế Tạo Máy
• Đề tài: Thiết Kế Lò Sấy Gỗ Sử Dụng Năng Lượng Mặt Trời
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan tình hình nghiên thuộc lĩnh vực của đề tài ở trong và ngoài nước
• 1.2. Khí hậu ở Đông Nam Bộ
• 1.2.1. Kết quả thu thập các số liệu về điều kiện khí hậu ở Đông Nam Bộ
• 1.2.2. Phân tích ảnh hưởng của điều kiện khí hậu ở Đông Nam Bộ tới xây dựng lò sấy gỗ sử dụng năng lượng mặt trời
• 1.3. Phân tích - lựa chọn phương án thiết kế
• 1.3.1. Phân tích phương án thiết kế
• 1.3.2. Lựa chọn phương án thiết kế
• 1.4. Tính toán công nghệ
• 1.4.1. Xác định kích thước cơ bản của lò sấy
• 1.4.2. Các thông số công nghệ chủ yếu
• 1.4.3. Tính toán nhiệt
• 1.4.4. Tính toán thiết bị gia nhiệt
• 1.4.5. Tính toán dàn tản nhiệt
• 1.4.6. Tính toán và chọn thiết bị hấp thụ NLMT
• 1.4.7. Tính toán và chọn công suất nồi hơi
• 1.4.8. Tính toán đường kính ống dẫn hơi
• 1.4.9. Tính toán khí động lực cho lò sấy
• 1.4.10. Lưu lượng không khí tuần hoàn
• 1.4.11. Tổn thất của dòng không khí đối lưu
• 1.4.12. Lựa chọn quạt và xác định công suất cần thiết của quạt
• 1.5. Hồ sơ thiết kế
• 1.5.1. Bản vẽ thiết kế lò sấy
• 1.5.2. Vật tư xây dựng lò sấy NLMT
• 1.5.3. Thiết bị lắp đặt cho lò sấy NLMT
• 1.5.4. Triển khai ứng dụng lắp đặt lò sấy gỗ sử dụng NLMT tại công ty Minh Phát
• 1.6. Vận hành và kiểm tra lò sấy
• 1.6.1. Quy trình vận hành lò sấy
• 1.6.2. Chuẩn bị lò sấy
• 1.6.3. Kỹ thuật xếp đống
• 1.6.4. Kiểm tra kỹ thuật
• 1.6.5. Khởi động lò sấy
• 1.6.6. Điều tiết quá trình sấy
• 1.6.7. Đo các chỉ số công nghệ của lò sấy NLMT
• 1.6.8. Kiểm tra chạy không tải lò sấy NLMT
• 1.6.9. Kiểm tra các chỉ số công nghệ của lò sấy NLMT
• 1.6.10. Tính toán sơ bộ hiệu quả kinh tế và môi trường của lò sấy NLMT
• 1.6.11. Tính toán thời gian thu hồi vốn
• 1.6.12. Tính toán về môi trường
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về Lò Sấy Gỗ Năng Lượng Mặt Trời từ HCMUTE

Bài viết này tập trung phân tích đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường tại trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (HCMUTE): "Thiết kế lò sấy gỗ sử dụng năng lượng mặt trời". Đề tài này hướng đến việc thiết kế và chế tạo một lò sấy gỗ năng lượng mặt trời, nhằm giải quyết vấn đề tiêu tốn năng lượng và ô nhiễm môi trường trong công nghiệp chế biến gỗ. Nghiên cứu tập trung vào việc ứng dụng năng lượng mặt trời trong sấy gỗ, một giải pháp tiết kiệm năng lượng và thân thiện môi trường. Đề tài đã được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu thuộc Học viện Kỹ thuật Quân sự HCMUTE, phản ánh nỗ lực của trường trong việc phát triển công nghệ lò sấy gỗ năng lượng mặt trời. Kết quả nghiên cứu có thể đóng góp vào sự phát triển bền vững của ngành gỗ Việt Nam, đặc biệt trong bối cảnh khan hiếm năng lượng và yêu cầu ngày càng cao về bảo vệ môi trường.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu về lò sấy gỗ năng lượng tái tạo

Từ những năm 1960, nhiều nước đã nghiên cứu lò sấy gỗ năng lượng mặt trời. Các thiết kế đa dạng, từ đơn giản đến tự động hóa, tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng. Hai loại chính gồm lò sấy Greenhouse, Semi-greenhouse và solar collector. Nghiên cứu của Johnson (1961) tại Mỹ là một trong những nghiên cứu ban đầu về ứng dụng năng lượng mặt trời trong sấy gỗ. Các nghiên cứu sau đó của Chudnoff (1966), Read (1974), Sharma (1974), Bois (1977), Tschernits và Simpson (1979), Plumptre (1979), Yang (1979), Chen (1980), McCormick (1980), và Gough (1981) đã đóng góp đáng kể vào sự phát triển của công nghệ này. Kết quả cho thấy lò sấy năng lượng mặt trời có thể rút ngắn thời gian sấy, giảm khuyết tật, và tiết kiệm năng lượng so với phương pháp truyền thống. Tại Việt Nam, việc ứng dụng còn hạn chế, chủ yếu sử dụng nhiên liệu đốt gây ô nhiễm. Đề tài nghiên cứu của HCMUTE góp phần khắc phục tình trạng này.

1.2. Công nghệ lò sấy gỗ năng lượng mặt trời của HCMUTE

Đề tài HCMUTE tập trung vào thiết kế lò sấy gỗ sử dụng năng lượng mặt trời, mục tiêu đảm bảo chất lượng gỗ sấy đạt tiêu chuẩn xuất khẩu, tiết kiệm năng lượng, giảm ô nhiễm. Phương án thiết kế lò sấy dạng solar water hot collector kết hợp với nồi hơi được lựa chọn. Kết quả thử nghiệm cho thấy hiệu quả đáng kể. Nhiệt độ nước nóng đạt 85.5°C, nhiệt độ trong lò đạt 65°C. Hệ thống cung cấp nhiệt đủ trong khoảng 10-15 giờ mỗi ngày. Thử nghiệm trên gỗ Keo lai cho thấy độ ẩm trung bình đạt 10%, tốc độ thoát ẩm 3.29%/ngày. Chất lượng gỗ sấy tốt, ít khuyết tật. Thời gian thu hồi vốn dự kiến 3.5-4 năm. Đề tài cũng tính toán được hiệu quả kinh tế và môi trường, cho thấy khả năng giảm thiểu khí thải CO2 đáng kể. Sản phẩm nghiên cứu bao gồm quy trình công nghệ, bản vẽ thiết kế, và tài liệu tham khảo. Chuyển giao công nghệ đã được thực hiện tại Công ty Minh Phát, Bình Dương.

II. Phân tích và đánh giá

Đề tài nghiên cứu của HCMUTE về lò sấy gỗ năng lượng mặt trời có ý nghĩa quan trọng. Nghiên cứu đã cung cấp một giải pháp khả thi cho vấn đề sấy gỗ tại Việt Nam, kết hợp hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường. Việc sử dụng năng lượng mặt trời giảm phụ thuộc vào nhiên liệu đốt truyền thống, giảm chi phí và ô nhiễm. Tuy nhiên, nghiên cứu còn ở quy mô nhỏ, cần mở rộng nghiên cứu để áp dụng rộng rãi. Cần nghiên cứu thêm về khả năng ứng dụng trong điều kiện khí hậu khác nhau, cũng như tối ưu hóa thiết kế để tăng hiệu suất và giảm chi phí. Việc đánh giá chi tiết về hiệu quả kinh tế và môi trường cần được bổ sung thêm dữ liệu thực tế.

2.1. Ưu điểm và hạn chế

Ưu điểm: Đề tài mang tính sáng tạo và thực tiễn cao, giải quyết vấn đề cấp thiết của ngành chế biến gỗ. Nghiên cứu đã chứng minh tính khả thi của lò sấy gỗ năng lượng mặt trời ở Việt Nam. Hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường được đề cập rõ ràng. Chuyển giao công nghệ thành công cho thấy khả năng ứng dụng thực tế. Hạn chế: Quy mô nghiên cứu còn nhỏ. Cần nghiên cứu thêm để tối ưu hóa thiết kế, tăng hiệu quả và độ bền của lò sấy. Phân tích chi tiết về hiệu quả kinh tế và môi trường cần được bổ sung. Khả năng ứng dụng trong các điều kiện khí hậu khác nhau cần được nghiên cứu thêm.

2.2. Ứng dụng thực tiễn và tiềm năng phát triển

Ứng dụng thực tiễn: Lò sấy gỗ năng lượng mặt trời có thể được áp dụng rộng rãi trong các cơ sở chế biến gỗ, đặc biệt ở vùng nông thôn, nơi có điều kiện thuận lợi về ánh nắng mặt trời. Giải pháp này góp phần giảm chi phí sản xuất, nâng cao chất lượng sản phẩm, và bảo vệ môi trường. Tiềm năng phát triển: Cần có sự hỗ trợ từ chính phủ và các tổ chức để thúc đẩy nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi công nghệ này. Đầu tư vào nghiên cứu và phát triển các lò sấy có công suất lớn hơn, hiệu quả hơn, phù hợp với nhiều loại gỗ khác nhau. Tích hợp công nghệ thông minh để tự động hóa quá trình sấy, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu nhân công. Phát triển chuỗi cung ứng vật liệu và dịch vụ hỗ trợ cho việc sản xuất và bảo trì lò sấy gỗ năng lượng mặt trời.

Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam, đặc biệt khu vực Đông Nam Bộ, sở hữu tiềm năng năng lượng mặt trời rất lớn với số giờ nắng trung bình từ 2200 đến 2600 giờ/năm, cao hơn nhiều so với khu vực phía Bắc (1800-2100 giờ/năm). Tại Thành phố Hồ Chí Minh, năng lượng ánh sáng mặt trời trung bình đạt khoảng 5,2 kWh/m²/ngày, tương đương với các khu vực có ngành công nghiệp sấy gỗ sử dụng năng lượng mặt trời phát triển như Darwin (Australia) hay Colombo (Sri Lanka). Trong bối cảnh ngành chế biến gỗ Việt Nam ngày càng phát triển, nhu cầu sấy gỗ đạt tiêu chuẩn xuất khẩu ngày càng tăng, đồng thời việc sử dụng nhiên liệu truyền thống như than đá, củi gây ô nhiễm môi trường và tiêu hao năng lượng lớn. Do đó, việc thiết kế lò sấy gỗ sử dụng năng lượng mặt trời nhằm tiết kiệm năng lượng, giảm thiểu ô nhiễm và đảm bảo an toàn sản xuất là rất cần thiết.

Mục tiêu nghiên cứu là thiết kế và chế tạo lò sấy gỗ công suất 10 m³/mẻ sử dụng năng lượng mặt trời, đảm bảo chất lượng gỗ sấy đạt tiêu chuẩn xuất khẩu, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm môi trường. Nghiên cứu tập trung vào điều kiện khí hậu tại Đông Nam Bộ, đặc biệt là Thành phố Hồ Chí Minh, trong năm 2013. Ý nghĩa của đề tài không chỉ nằm ở việc ứng dụng công nghệ năng lượng sạch mà còn góp phần nâng cao hiệu quả kinh tế và bảo vệ môi trường trong ngành chế biến gỗ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình về công nghệ sấy gỗ và ứng dụng năng lượng mặt trời trong công nghiệp. Hai mô hình chính được áp dụng là:

1. Mô hình lò sấy năng lượng mặt trời dạng solar water hot collector: Hệ thống thu nhiệt chuyển đổi bức xạ mặt trời thành nhiệt lượng nước nóng, cung cấp nhiệt cho lò sấy. Mô hình này giúp giảm tổn thất nhiệt và dễ dàng kiểm soát nhiệt độ, độ ẩm trong quá trình sấy.

2. Mô hình kết hợp lò sấy năng lượng mặt trời với nồi hơi: Khi nhiệt lượng từ năng lượng mặt trời không đủ, nồi hơi sẽ cung cấp nhiệt bổ sung, đảm bảo quá trình sấy liên tục và ổn định.

Các khái niệm chính bao gồm: độ ẩm gỗ (Wa, Wc), nhiệt độ sấy (50-60°C), tốc độ thoát ẩm (3,29%/ngày), hệ số truyền nhiệt, lưu lượng không khí tuần hoàn, và các thông số kỹ thuật về thiết bị gia nhiệt, quạt, đường ống dẫn hơi.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp thu thập số liệu khí hậu thực tế tại Thành phố Hồ Chí Minh, bao gồm nhiệt độ, độ ẩm tương đối, bức xạ mặt trời và số giờ nắng trong năm 2013. Phương pháp kế thừa được áp dụng để tham khảo các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước về thiết kế lò sấy năng lượng mặt trời.

Phương pháp nghiên cứu lý thuyết được sử dụng để tính toán các thông số kỹ thuật của lò sấy như kích thước, nhiệt lượng cần thiết, lưu lượng không khí, công suất quạt và nồi hơi. Phương pháp thực nghiệm được triển khai qua việc lắp đặt và vận hành lò sấy tại Công ty TNHH Minh Phát, Bình Dương, nhằm kiểm tra chất lượng gỗ sấy và hiệu quả kinh tế môi trường.

Cỡ mẫu nghiên cứu là lò sấy công suất 10 m³/mẻ, sử dụng gỗ keo lai 7 tuổi dày 25 mm làm mẫu thử nghiệm. Phân tích dữ liệu được thực hiện qua đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ thoát ẩm và đánh giá khuyết tật gỗ sau sấy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Điều kiện khí hậu thuận lợi: Thành phố Hồ Chí Minh có số giờ nắng trung bình 2200-2600 giờ/năm, năng lượng mặt trời trung bình 5,2 kWh/m²/ngày, cao hơn nhiều so với khu vực phía Bắc. Đây là điều kiện lý tưởng để ứng dụng lò sấy năng lượng mặt trời.

2. Hiệu quả thiết kế lò sấy: Lò sấy dạng solar water hot collector kết hợp nồi hơi được thiết kế với thể tích 35 m³, công suất sấy 10 m³ gỗ/mẻ. Nhiệt độ nước nóng tối đa đạt 85,5°C, nhiệt độ trong lò sấy đạt 65°C vào lúc 12 giờ trưa. Thời gian cung cấp nhiệt từ năng lượng mặt trời kéo dài từ 9 giờ đến 16 giờ, đủ để đáp ứng nhu cầu sấy trong khoảng 10-15 giờ.

3. Chất lượng gỗ sấy: Thử nghiệm sấy gỗ keo lai dày 25 mm cho kết quả độ ẩm trung bình sau sấy là 10%, tốc độ thoát ẩm trung bình 3,29%/ngày. Trong 10 mẫu thử, 8 mẫu đạt loại A về phân bố độ ẩm, không phát hiện khuyết tật nứt hay biến màu.

4. Hiệu quả kinh tế và môi trường: Thời gian thu hồi vốn sơ bộ khoảng 3,5-4 năm. Sau 15 năm hoạt động, lò sấy tiết kiệm được khoảng 546.000 đồng chi phí năng lượng và giảm phát thải CO2 khoảng 4080 kg/năm.

Thảo luận kết quả

Kết quả cho thấy việc ứng dụng lò sấy năng lượng mặt trời tại khu vực Đông Nam Bộ là khả thi và hiệu quả. Nhiệt độ và độ ẩm trong lò sấy được kiểm soát tốt nhờ hệ thống thu nhiệt nước nóng và nồi hơi bổ sung, giúp rút ngắn thời gian sấy so với phương pháp hong phơi truyền thống. So với các nghiên cứu quốc tế, thời gian sấy và chất lượng gỗ tương đương hoặc tốt hơn, đồng thời giảm thiểu ô nhiễm môi trường.

Biểu đồ nhiệt độ và tốc độ thoát ẩm minh họa rõ sự ổn định của quá trình sấy, với nhiệt độ trong lò đạt đỉnh vào giữa ngày và giảm dần vào buổi chiều. Bảng so sánh chi tiết các thông số kỹ thuật và hiệu suất lò sấy cho thấy sự phù hợp với điều kiện khí hậu và yêu cầu kỹ thuật trong nước.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai rộng rãi lò sấy NLMT: Khuyến khích các doanh nghiệp chế biến gỗ tại khu vực Đông Nam Bộ và các vùng có điều kiện tương tự áp dụng lò sấy năng lượng mặt trời dạng solar water hot collector kết hợp nồi hơi để tiết kiệm năng lượng và giảm ô nhiễm. Thời gian thực hiện trong 1-2 năm.

2. Đào tạo kỹ thuật vận hành: Tổ chức các khóa đào tạo cho cán bộ kỹ thuật và công nhân vận hành lò sấy nhằm đảm bảo quy trình vận hành, kiểm tra và bảo trì thiết bị đúng chuẩn, nâng cao hiệu quả sấy và tuổi thọ thiết bị. Thời gian đào tạo 3-6 tháng.

3. Nâng cao nghiên cứu và phát triển: Tiếp tục nghiên cứu cải tiến thiết kế lò sấy, tối ưu hóa hệ thống thu nhiệt và lưu trữ năng lượng để mở rộng công suất và giảm chi phí đầu tư. Thời gian nghiên cứu 2-3 năm.

4. Chính sách hỗ trợ và khuyến khích: Đề xuất các chính sách ưu đãi về thuế, vốn vay và hỗ trợ kỹ thuật từ các cơ quan quản lý nhà nước nhằm thúc đẩy ứng dụng công nghệ năng lượng sạch trong ngành chế biến gỗ. Thời gian triển khai chính sách 1-2 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Doanh nghiệp chế biến gỗ: Các công ty sản xuất đồ gỗ xuất khẩu có thể áp dụng thiết kế lò sấy năng lượng mặt trời để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí năng lượng và đáp ứng tiêu chuẩn môi trường.

2. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Để phát triển thêm các nghiên cứu về công nghệ sấy gỗ, năng lượng tái tạo và ứng dụng trong công nghiệp chế biến gỗ.

3. Cơ quan quản lý nhà nước: Bộ ngành liên quan đến năng lượng, môi trường và công nghiệp chế biến gỗ có thể sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ sạch.

4. Nhà đầu tư và doanh nghiệp công nghệ: Các đơn vị cung cấp thiết bị, công nghệ năng lượng mặt trời và giải pháp tiết kiệm năng lượng có thể tham khảo để phát triển sản phẩm phù hợp với thị trường Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Lò sấy năng lượng mặt trời có thể sử dụng quanh năm không?
   Lò sấy được thiết kế để hoạt động hiệu quả trong điều kiện khí hậu Đông Nam Bộ với số giờ nắng cao quanh năm. Tuy nhiên, vào những ngày mưa hoặc ít nắng, hệ thống nồi hơi bổ sung sẽ cung cấp nhiệt đảm bảo quá trình sấy không bị gián đoạn.

2. Chất lượng gỗ sau khi sấy bằng lò năng lượng mặt trời có đảm bảo không?
   Kết quả thử nghiệm cho thấy độ ẩm gỗ đạt trung bình 10%, không có khuyết tật nứt hay biến màu, 80% mẫu đạt loại A về phân bố độ ẩm, đảm bảo chất lượng xuất khẩu.

3. Chi phí đầu tư ban đầu cho lò sấy NLMT có cao không?
   Chi phí đầu tư cao hơn so với lò sấy truyền thống do hệ thống thu nhiệt nước nóng và bình chứa. Tuy nhiên, thời gian thu hồi vốn khoảng 3,5-4 năm nhờ tiết kiệm năng lượng và giảm chi phí vận hành.

4. Làm thế nào để kiểm soát nhiệt độ và độ ẩm trong lò sấy?
   Hệ thống điều khiển tự động sử dụng cảm biến nhiệt độ và van điều tiết hơi nước, nước nóng để duy trì nhiệt độ và độ ẩm ổn định trong lò, đảm bảo quá trình sấy hiệu quả.

5. Lò sấy này có thể áp dụng cho các loại gỗ khác không?
   Mô hình thiết kế có thể điều chỉnh để phù hợp với các loại gỗ rừng trồng khác nhau, tuy nhiên cần tính toán lại các thông số kỹ thuật như thời gian sấy, nhiệt độ và độ ẩm phù hợp từng loại gỗ.

Kết luận

• Lò sấy gỗ sử dụng năng lượng mặt trời dạng solar water hot collector kết hợp nồi hơi phù hợp với điều kiện khí hậu Đông Nam Bộ, đảm bảo chất lượng gỗ sấy đạt tiêu chuẩn xuất khẩu.
• Nhiệt độ nước nóng tối đa đạt 85,5°C, nhiệt độ trong lò sấy đạt 65°C, cung cấp nhiệt ổn định từ 9 đến 16 giờ hàng ngày.
• Tốc độ thoát ẩm trung bình 3,29%/ngày, độ ẩm gỗ sau sấy đạt khoảng 10%, không phát sinh khuyết tật nứt hay biến màu.
• Thời gian thu hồi vốn khoảng 3,5-4 năm, tiết kiệm chi phí năng lượng và giảm phát thải CO2 đáng kể.
• Đề xuất triển khai rộng rãi, đào tạo kỹ thuật và hoàn thiện chính sách hỗ trợ để thúc đẩy ứng dụng công nghệ năng lượng sạch trong ngành chế biến gỗ.

Tiếp theo, các doanh nghiệp và cơ quan quản lý nên phối hợp để nhân rộng mô hình, đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả và giảm chi phí đầu tư. Hãy hành động ngay để góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững ngành chế biến gỗ Việt Nam!