Tổng quan nghiên cứu

Việt Nam là quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời, trong đó công nghệ sấy nông sản bằng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm nhằm nâng cao giá trị sản phẩm và giảm thiểu tác động môi trường. Theo ước tính, việc ứng dụng nhà sấy nhà kính năng lượng mặt trời (Solar Greenhouse Dryer - SGHD) có thể giúp giảm chi phí năng lượng và tăng hiệu quả sấy lên đến 30-40% so với phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, việc tối ưu hóa thiết kế và vận hành SGHD còn nhiều thách thức do sự biến đổi phức tạp của nhiệt độ, độ ẩm và dòng chảy không khí bên trong.

Luận văn tập trung nghiên cứu và mô phỏng động lực học chất lỏng (CFD) trong nhà sấy nhà kính năng lượng mặt trời nhằm phân tích sự phân bố nhiệt độ và độ ẩm bên trong SGHD dưới ảnh hưởng của điều kiện thời tiết và thời gian trong ngày. Mục tiêu cụ thể là đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện khí hậu và lựa chọn lưới số thích hợp trong phần mềm ANSYS Fluent để mô phỏng chính xác quá trình sấy. Nghiên cứu được thực hiện trên mô hình SGHD kích thước 6m x 8m x 3.5m đặt tại các tỉnh An Giang và Đồng Tháp, trong khoảng thời gian từ 7:00 sáng đến 6:00 chiều.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế và vận hành SGHD hiệu quả, góp phần nâng cao chất lượng nông sản, giảm tổn thất sau thu hoạch và thúc đẩy phát triển bền vững ngành công nghiệp chế biến nông sản tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết động lực học chất lỏng (Fluid Dynamics): Sử dụng phương trình Navier-Stokes để mô tả chuyển động của không khí ẩm bên trong nhà sấy, bao gồm bảo toàn khối lượng, động lượng và năng lượng.
  • Mô hình truyền nhiệt và truyền khối: Cân bằng năng lượng và khối lượng trong SGHD được xây dựng dựa trên các phương trình bảo toàn nhiệt và ẩm, kết hợp với mô hình sấy lớp mỏng cho vật liệu nông sản.
  • Mô hình mô phỏng CFD (Computational Fluid Dynamics): Phần mềm ANSYS Fluent sử dụng phương pháp thể tích hữu hạn để giải các phương trình bảo toàn trên lưới số, bao gồm mô hình dòng chảy hỗn loạn k-ε thực thi (realizable k-ε turbulence model) và mô hình bức xạ Discrete Ordinate (DO) để mô phỏng truyền nhiệt bức xạ.
  • Khái niệm chính: Nhiệt độ không khí, độ ẩm tương đối, vận tốc dòng khí, lưới số (mesh), mô hình dòng chảy hỗn loạn, truyền nhiệt bức xạ, cân bằng năng lượng và khối lượng.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm đo nhiệt độ, độ ẩm và bức xạ mặt trời tại SGHD đặt ở An Giang và Đồng Tháp được sử dụng để hiệu chỉnh và xác nhận mô hình mô phỏng.
  • Phương pháp phân tích: Mô hình CFD được xây dựng trên phần mềm ANSYS Fluent R19 với mô hình dòng chảy hỗn loạn realizable k-ε, mô hình bức xạ DO và mô hình vận chuyển nhiều thành phần khí. Hai loại lưới số được so sánh gồm lưới tứ diện (tetrahedral) và lưới lục diện (hexahedral) với kích thước ô lưới 0.1 m và 0.05 m.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình SGHD kích thước thực tế 6m x 8m x 3.5m, mô phỏng trong khoảng thời gian từ 7:00 đến 18:00 với các bước thời gian phù hợp để quan sát sự biến đổi nhiệt độ và độ ẩm.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2/2021 đến tháng 12/2021, bao gồm xây dựng mô hình, chạy mô phỏng, phân tích kết quả và đối chiếu với dữ liệu thực nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố nhiệt độ bên trong SGHD: Nhiệt độ không khí ẩm trong nhà sấy dao động từ 303.1 K vào buổi sáng đến đỉnh điểm 339.1 K lúc 14:00. Nhiệt độ trong khoảng 11:00 đến 16:00 duy trì trên 328 K, cao hơn nhiệt độ môi trường bên ngoài khoảng 10-15 K. Kết quả mô phỏng tương đồng với dữ liệu thực nghiệm, trong đó nhiệt độ thực tế cao nhất đo được là 335.3 K lúc 11:00.
  2. Phân bố độ ẩm tương đối: Độ ẩm tương đối trong SGHD giảm dần theo thời gian, từ khoảng 79.55% buổi sáng xuống thấp hơn nhiều vào buổi chiều, thấp hơn độ ẩm môi trường bên ngoài. Điều này cho thấy không khí trong nhà sấy có khả năng hấp thụ ẩm tốt, hỗ trợ quá trình sấy hiệu quả.
  3. Vận tốc dòng khí: Vận tốc không khí bên trong nhà sấy dao động trung bình khoảng 0.5 m/s, cao nhất tại cửa thoát khí trên 1 m/s, và gần như không phụ thuộc vào thời gian trong ngày mà thay đổi theo vị trí trong nhà sấy.
  4. Ảnh hưởng của lưới số: Kích thước ô lưới có ảnh hưởng lớn hơn loại lưới đến kết quả mô phỏng nhiệt độ và độ ẩm. Lưới lục diện (hexahedral) cho kết quả chính xác hơn với số lượng ô lưới ít hơn so với lưới tứ diện (tetrahedral). Số lượng ô lưới tối thiểu cần thiết để mô phỏng chính xác là khoảng 100.000 ô, trong khi nghiên cứu sử dụng tối đa khoảng 7 triệu ô để đảm bảo độ chính xác.

Thảo luận kết quả

Sự gia tăng nhiệt độ bên trong SGHD chủ yếu do hiệu ứng nhà kính, khi bức xạ mặt trời xuyên qua lớp polycarbonate và bị giữ lại bên trong, làm tăng nhiệt độ không khí và vật liệu. Độ ẩm giảm theo thời gian do không khí nóng có khả năng giữ ẩm cao hơn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình bay hơi nước từ sản phẩm. Vận tốc dòng khí ổn định giúp duy trì sự lưu thông không khí, tăng hiệu quả truyền nhiệt và khối lượng.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng phù hợp với các báo cáo về hiệu quả sấy của SGHD tại các vùng nhiệt đới, đồng thời khẳng định vai trò quan trọng của việc lựa chọn lưới số phù hợp trong mô phỏng CFD để đạt độ chính xác cao mà vẫn tiết kiệm tài nguyên tính toán.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ nhiệt độ và độ ẩm theo thời gian, bản đồ phân bố nhiệt độ và độ ẩm không khí trong không gian 3D của nhà sấy, cũng như bảng so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu kích thước và loại lưới số trong mô phỏng CFD: Khuyến nghị sử dụng lưới lục diện với kích thước ô khoảng 0.05 m để cân bằng giữa độ chính xác và chi phí tính toán, giúp mô phỏng hiệu quả hơn trong vòng 3-6 tháng, do các nhà nghiên cứu và kỹ sư thiết kế.
  2. Cải tiến thiết kế SGHD: Điều chỉnh hình dạng và vật liệu phủ nhằm tăng khả năng hấp thụ bức xạ mặt trời và giảm tổn thất nhiệt, hướng tới tăng nhiệt độ sấy trung bình lên trên 340 K trong khoảng thời gian từ 11:00 đến 16:00, do các nhà sản xuất và nhà thiết kế công trình thực hiện trong 1-2 năm.
  3. Kiểm soát lưu lượng không khí: Lắp đặt hệ thống quạt và cửa thông gió điều chỉnh được để duy trì vận tốc dòng khí ổn định khoảng 0.5-1 m/s, giúp tối ưu quá trình truyền nhiệt và bay hơi, do các nhà vận hành và kỹ thuật trong vòng 6 tháng.
  4. Ứng dụng mô hình CFD trong đào tạo và phát triển sản phẩm: Sử dụng mô hình mô phỏng để đào tạo kỹ thuật viên và phát triển các sản phẩm sấy mới phù hợp với điều kiện khí hậu địa phương, thực hiện bởi các cơ sở đào tạo và doanh nghiệp trong 1 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật hóa học, cơ khí và năng lượng tái tạo: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp mô phỏng CFD ứng dụng trong thiết kế và tối ưu hóa thiết bị sấy năng lượng mặt trời.
  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành nhà sấy nông sản: Tham khảo để lựa chọn thiết kế, vật liệu và điều kiện vận hành phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả sấy và chất lượng sản phẩm.
  3. Doanh nghiệp chế biến và bảo quản nông sản: Áp dụng kết quả nghiên cứu để cải tiến công nghệ sấy, giảm chi phí năng lượng và tăng giá trị sản phẩm.
  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách: Sử dụng thông tin để xây dựng các chương trình hỗ trợ phát triển công nghệ sấy năng lượng mặt trời, góp phần phát triển nông nghiệp bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Mô hình CFD có thể thay thế hoàn toàn thí nghiệm thực tế không?
    Mô hình CFD giúp dự đoán và tối ưu thiết kế nhanh chóng, nhưng vẫn cần thí nghiệm thực tế để hiệu chỉnh và xác nhận kết quả, đảm bảo độ tin cậy.

  2. Lưới số ảnh hưởng như thế nào đến kết quả mô phỏng?
    Kích thước và loại lưới quyết định độ chính xác và chi phí tính toán. Lưới nhỏ và lục diện thường cho kết quả chính xác hơn nhưng tốn tài nguyên hơn.

  3. Tại sao nhiệt độ trong SGHD cao hơn môi trường bên ngoài?
    Do hiệu ứng nhà kính, bức xạ mặt trời xuyên qua lớp phủ và bị giữ lại bên trong, làm tăng nhiệt độ không khí và vật liệu.

  4. Độ ẩm tương đối giảm trong quá trình sấy có ý nghĩa gì?
    Độ ẩm giảm cho thấy không khí có khả năng hấp thụ ẩm tốt, giúp tăng hiệu quả bay hơi nước từ sản phẩm, rút ngắn thời gian sấy.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các vùng khí hậu khác không?
    Cần điều chỉnh mô hình theo điều kiện khí hậu địa phương, tuy nhiên nguyên lý và phương pháp mô phỏng có thể áp dụng rộng rãi.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã mô phỏng thành công sự phân bố nhiệt độ và độ ẩm bên trong nhà sấy nhà kính năng lượng mặt trời sử dụng phần mềm ANSYS Fluent với mô hình dòng chảy hỗn loạn realizable k-ε và mô hình bức xạ DO.
  • Nhiệt độ trong nhà sấy đạt đỉnh 339.1 K lúc 14:00, độ ẩm tương đối giảm dần trong ngày, vận tốc dòng khí ổn định khoảng 0.5 m/s.
  • Kích thước ô lưới ảnh hưởng lớn hơn loại lưới đến độ chính xác mô phỏng, với lưới lục diện ưu việt hơn lưới tứ diện.
  • Kết quả mô phỏng phù hợp với dữ liệu thực nghiệm, góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và vận hành SGHD.
  • Đề xuất áp dụng mô hình CFD trong thiết kế, vận hành và đào tạo, đồng thời cải tiến thiết kế SGHD để tăng hiệu quả sấy và giảm chi phí năng lượng.

Next steps: Triển khai áp dụng mô hình CFD cho các loại nhà sấy khác, mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng của vật liệu phủ và điều kiện vận hành. Khuyến khích hợp tác giữa viện nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý để phát triển công nghệ sấy năng lượng mặt trời bền vững.

Call-to-action: Các nhà nghiên cứu và kỹ sư được khuyến khích sử dụng mô hình và dữ liệu trong luận văn để phát triển các giải pháp sấy năng lượng mặt trời hiệu quả, góp phần nâng cao giá trị nông sản Việt Nam.