MỞ ĐẦU I. Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước Từ những năm của thập niên 70 thì ống nhiệt đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong đời sống và sản xuất. Đơn cử như: Kim và cộng sự (cs) [1] nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt để làm mát CPU của máy tính. Wu và cs [2] nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt để kiểm soát độ ẩm trong hệ thống điều hòa không khí.
Naphon [3] nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt để làm mát không khí trước khi vào dàn ngưng nhằm nâng cao hiệu suất hệ thống điều hòa không khí. Yau [4] nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt để thu hồi nhiệt nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng của hệ thống điều hòa không khí. Wang và cs [5] nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt để nâng cao hiệu quả năng lượng trong máy lạnh hấp thụ. Các nghiên cứu khác liên quan đến ứng dụng ống nhiệt trong hệ thống điều hòa không khí có thể tìm thấy trong nghiên cứu của Chougule và cs [6].
Để sản xuất nước nóng từ năng lượng mặt trời có nhiều nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt trong lĩnh vực này [7-10]. Nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt để thu hồi nhiệt khói thải lò hơi, lò công nghiệp và động cơ nhiệt có thể tìm thấy trong nghiên cứu [11-13]. Trong lĩnh vực sấy, trên các máy sấy đối lưu, dòng tác nhân sấy sau buồng sấy có lưu lượng ổn định và nhiệt độ còn khá cao so với môi trường; do đó, nguồn nhiệt này có tiềm năng để thu hồi và tái sử dụng. Nhiều nghiên cứu liên quan đến việc sử dụng ống nhiệt để thu hồi nhiệt thải trên máy sấy như: nghiên cứu nâng cao hiệu quả tủ sấy quần áo bằng cách kết hợp bộ thu hồi nhiệt kiểu ống nhiệt của Jian và Lizhong [14]; nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt để nâng cao hiệu quả tủ sấy đối lưu của Meyer và Dobson [15]; đánh giá hiệu quả máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt [16-19] Trong nước, cũng có nhiều nghiên cứu về ứng dụng bộ trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt.
Tác giả Trần Văn Vang [20] nghiên cứu sử dụng ống nhiệt để nâng cao hiệu quả năng lượng trong hệ thống điều hòa không khí. Tác giả Hoàng An Quốc và cs [21] nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt trọng trường trong hệ thống máy lạnh hấp thụ. Tác giả Nguyễn Thành Luân và Nguyễn Thế Bảo, nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt để nâng cao hiệu quả máy sấy bơm nhiệt [22]. Tác giả Trần Văn Vang [23] nghiên cứu ứng dụng ống nhiệt để sản xuất nước nóng bằng năng lượng mặt trời.
Qua thực tế nghiên cứu trong và ngoài nước nhận thấy có nhiều nghiên cứu và ứng dụng ống nhiệt trong thực tế. 1 Các nghiên cứu về ống nhiệt chỉ ra rằng nhiệt độ của dòng lưu chất đi qua phần sôi và phần ngưng ống nhiệt ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của ống nhiệt. Chênh lệch nhiệt độ càng lớn thì khả năng làm việc và công suất của ống nhiệt tăng lên và ngược lại [24-26]. Trong nghiên cứu của Meyer và Dobson [15] phân tích khả năng thu hồi nhiệt thải của ống nhiệt đã được thực hiện với nhiệt độ môi trường (nhiệt độ không khí vào phần ngưng ống nhiệt) là 22C, nhiệt độ không khí vào phần sôi ống nhiệt 4060C.
Kết quả nghiên cứu cho thấy hiệu quả của tủ sấy cải thiện đáng kể có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất. Ở điều kiện khí hậu Việt Nam với nhiệt độ môi trường cao, điều này ảnh hưởng đáng kể đến khả năng làm việc của ống nhiệt khi ứng dụng để thu hồi nhiệt trên máy sấy đối lưu với nhiệt độ dòng không khí ra khỏi buồng sấy không quá lớn. Do đó, với mục tiêu đánh giá khả năng ứng dụng ống nhiệt trọng trường và máy sấy đối lưu điện trở ở điều kiện khí hậu Việt Nam. Nghiên cứu này sẽ mở rộng phạm vi khảo sát nhiệt độ không khí vào phần ngưng ống nhiệt 3033C, nhiệt độ không khí vào phần sôi ống nhiệt 4060C để xem xét đánh giá.
Do đó tác giả chọn đề tài:”Nghiên cứu, ứng dụng ống nhiệt trọng trường trên máy sấy điện trở” II. Tính cấp thiết Hiện nay, nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng cao. Do đó việc sử dụng hiệu quả năng lượng là yêu cầu cấp thiết cho mọi lĩnh vực. Máy sấy điện trở với đặc điểm cấu tạo đơn giản, ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống và sản xuất.
Tuy nhiên, nhược điểm cơ bản là tiêu hao năng lượng lớn. Do đó với mục đích tìm kiếm cơ hội, giảm tiêu hao điện năng trên máy sấy điện trở nhưng vẫn đảm bảo tính đơn giản trong vận hành, bảo trì, bảo dưỡng. Nên đề tài tiếp cận, nghiên cứu việc kết hợp ống nhiệt trọng trường trên máy sấy điện trở ở điều kiện khí hậu Việt Nam nhằm đánh giá hiệu quả năng lượng. Nếu hiệu quả của nghiên cứu tốt thì có thể ứng dụng vào thực tế sản xuất.
Mục tiêu + Đánh giá hiệu suất trao đổi nhiệt (phần nhiệt hiện) của bộ ống nhiệt trọng trường môi chất R134a khi kết hợp vào máy sấy điện trở để thu hồi nhiệt thải ở điều kiện khí hậu Việt Nam. + Đánh giá hiệu quả năng lượng máy sấy điện trở khi kết hợp ống nhiệt trọng trường môi chất R134a ở điều kiện khí hậu Việt Nam. Cách tiếp cận Đề tài được thực hiện qua các bước: Tìm kiếm thông tin, phân tích tài liệu có liên quan, chế tạo mô hình, thí nghiệm, xử lý số liệu, bàn luận, kết luận, kiến nghị. Phương pháp nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu 1.
Phương pháp nghiên cứu: + Phương pháp tổng quan: Tổng quan các bài báo khoa học liên quan. + Phương pháp thực nghiệm: Thiết lập mô hình và tiến hành thí nghiệm. + Phương pháp phân tích so sánh: Xử lý số liệu, xây dựng mô hình toán học, phân tích, so sánh. Đối tượng nghiên cứu + Đối tượng nghiên cứu là máy sấy điện trở kết hợp ống nhiệt trọng trường (ống đồng, chất công tác là R134a) 3.
Phạm vi nghiên cứu Đề tài này được thực hiện với phạm vi nghiên cứu như sau: + Nghiên cứu được xem xét trên mô hình tủ sấy điện trở công suất 2,5 kW kết hợp ống nhiệt trọng trường loại Cu/R134a. + Vật liệu sấy: Rau má + Nhiệt độ không khí sau buồng sấy: 40÷60C + Tốc độ không khí qua bộ trao đổi nhiệt kiểu ống nhiệt: 0,41,2 m/s + Nghiên cứu này được thực hiện tại thành phố Hồ Chí Minh năm 2020-2021. + Thực nghiệm được bố trí theo ma trận trực giao 2 nhân tố. Nội dung nghiên cứu.
+ Tính toán thiết kế và chế tạo tủ sấy điện trở kết hợp ống nhiệt trọng trường môi chất R134a. 3 + Thực nghiệm khảo sát hiệu quả trao đổi nhiệt (phần nhiệt hiện) của bộ ống nhiệt trọng trường môi chất R134a khi kết hợp vào tủ sấy điện trở với các thí nghiệm được bố trí theo ma trận trực giao 2 nhân tố bao gồm: nhiệt độ sau buồng sấy t= 40 60C và tốc độ không khí đi qua các phần trao đổi nhiệt của ống nhiệt v=0,41,2 m/s ở điều kiện khí hậu Việt Nam (cụ thể TP.HCM) + Đánh giá hiệu quả năng lượng của tủ sấy điện trở khi kết hợp ống nhiệt trọng trường môi chất R134a.1 Tổng quan về máy sấy điện trở Máy sấy điện trở là thiết bị sấy có công nghệ đơn giản trong chế tạo và vận hành nên ứng dụng khá rộng rãi trong đời sống, sản xuất. Hiện nay, các máy sấy đối lưu bằng điện trở được chế tạo với nhiều công suất khác nhau từ 1kW đến vài chục kW để phục vụ trong lĩnh vực sấy như: sấy quần áo, sấy trái cây, sấy thảo mộc, sấy thủy hải sản, sấy các loại hạt và ngũ cốc. Mặc dù đơn giản trong chế tạo và vận hành, tuy nhiên nhược điểm cơ bản của máy sấy điện trở là chi phí vận hành lớn.
Do đó, đối với máy sấy điện trở việc tìm kiếm cơ hội giảm tiêu hao năng lượng là cần thiết. Sơ đồ nguyên lý của máy sấy đối lưu (điện trở) thể hiện như Hình 1.1 Nguyên lý cấu tạo máy sấy đối lưu (điện trở) và đồ thị I-d Nguyên lý làm việc: Không khí ngoài trời trạng thái (1) đi qua bộ gia nhiệt điện trở, được gia nhiệt lên đến trạng thái (2). Sau đó không khí nóng vào buồng sấy thực hiện quá trình trao đổi nhiệt, ẩm với vật liệu sấy. Sau đó không khí ra khỏi buồng sấy và đạt trạng thái (3).
1-2: Quá trình gia nhiệt tại bộ calorife điện trở 2-3: Quá trình sấy diễn ra tại buồng sấy Điểm 1: Trạng thái không khí ngoài trời Điểm 2: Trạng thái không khí sau bộ calorife Điểm 3: Trạng thái không khí sau buồng sấy 5 1.2 Tổng quan về ống nhiệt Ống nhiệt là một phần tử trao đổi nhiệt kín bên trong có chứa môi chất công tác. Tùy theo loại ống nhiệt mà phía trong ống có thể trơn, xẻ rãnh hoặc có bấc mao dẫn. Về mặt cấu tạo ống nhiệt chia làm 3 phần: phần sôi, phần đoạn nhiệt và phần ngưng thể hiện như Hình 1.2 Nguyên lý cấu tạo ống nhiệt (heat pipe) Nguyên lý làm việc ống nhiệt: Tại phần sôi ống nhiệt môi chất trong ống nhận lượng nhiệt từ bên ngoài truyền vào nên sôi và hóa hơi. Môi chất sau khi hóa hơi chuyển động về phần ngưng ống nhiệt, tại đây môi chất nhả nhiệt ra bên ngoài ngưng tụ thành lỏng sau đó quay trở lại phần sôi dưới tác dụng của trọng lực, lực mao dẫn hoặc ly tâm tùy vào loại ống nhiệt.
Ống nhiệt được phân loại theo nhiều cách khác nhau như: Theo lực tác dụng đưa lỏng môi chất về phần sôi ống nhiệt, theo môi chất công tác, theo hình dạng ống. Phân loại theo lực đưa lỏng môi chất từ phần ngưng về phần sôi ống nhiệt: - Ống nhiệt trọng trường: ống nhiệt mà lỏng môi chất sau khi ngưng được đưa về phần sôi nhờ lực trọng trường. Với loại ống nhiệt này cần thiết phải bố trí phần sôi luôn thấp hơn phần ngưng để đảm bảo môi chất sau khi ngưng có thể chảy được về phần sôi. - Ống nhiệt mao dẫn: ống nhiệt mà lỏng chất công tác sau khi ngưng được đưa về phần sôi ống nhiệt nhờ lực mao dẫn.
Mặc dù, có cấu tạo phức tạp hơn ống nhiệt trọng trường, tuy nhiên ống nhiệt mao dẫn có thuận hơn trong bố trí. Để tạo ra lực mao dẫn các ống nhiệt có thể được làm các rãnh nhỏ ở bề mặt trong ống, bố trí lưới kim loại sát bề mặt trong ống hoặc dạng hạt liên kết .3 thể hiện cấu tạo bên trong một số loại ống nhiệt mao dẫn.