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 NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG THIẾT BỊ SẤY DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Hoàng Dương Hùng Trường Đại học Quảng Bình Tóm tắt. Năng lượng và vấn đề sử dụng năng lượng đang là mối quan tâm rất lớn của mọi quốc gia. Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng sạch và được xem là một trong những nguồn năng lượng chính trong tương lai. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sấy sử dụng NLMT và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế đang là vấn đề có tính thời sự. Hiện nay trong nước và trên thế giới đã nghiên cứu, chế tạo nhiều loại thiết bị sấy NLMT. Tuy nhiên, do đặc điểm của NLMT là chỉ được cung cấp khi có nắng nên quá trình cấp nhiệt cho sản phẩm sấy không được ổn định và liên tục nên việc triển khai các thiết bị sấy NLMT trong thực tế còn rất hạn chế. Bài báo này đưa ra kết quả nghiên cứu triển khai thực nghiệm thiết bị sấy NLMT có sử dụng chất trữ nhiệt trong việc sấy một số loại hải sản. Từ khóa: Thiết bị sấy; năng lượng mặt trời; sấy hải sản; trữ nhiệt; quá trình sấy 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay việc nghiên cứu ứng dụng các thiết bị cung cấp nhiệt bằng NLMT phục vụ sản xuất công, nông nghiệp trên thế giới phát triển rất nhanh nhằm đảm bảo cung cấp nguồn năng lượng sạch để bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, việc ứng dụng NLMT trong thực tế còn rất khiêm tốn. Nguyên nhân chính là chưa thể thương mại hóa các thiết bị và công nghệ sử dụng NLMT vì còn tồn tại một số hạn chế lớn chưa được giải quyết như: giá thành thiết bị còn cao, hiệu suất thiết bị còn thấp, phụ thuộc vào vị trí địa lý lắp đặt thiết bị, cần không gian đủ lớn để đặt thiết bị nhất là việc không đảm bảo độ tin cậy của các thiết bị sử dụng NLMT vì tính không ổn định, không liên tục của nó [1]. Việt Nam là nước nông nghiệp, có nguồn lợi thủy, hải sản phong phú và đa dạng. Vì vậy, quy trình sấy khô nhằm bảo quản chất lượng hải sản là rất quan trọng. Từ trước tới nay, người dân Việt Nam đã và đang sử dụng NLMT để sấy dưới dạng phơi nắng ngoài trời, phương pháp này có quá nhiều hạn chế như: phụ thuộc vào thời tiết, mất vệ sinh, mất nhiều thời gian, có thể đến 2, 3 ngày nắng nên sản phẩm khó đạt được chất lượng cao. Do vậy, cần nghiên cứu một thiết bị sấy NLMT có thể sấy liên tục bằng cách sử dụng các chất chuyển pha (PCM) có khả năng trữ nhiệt cao để cấp nhiệt cho quá trình sấy các loại hải sản với giá thành hợp lý, phù hợp với điều kiện kinh tế Việt Nam. 2. THIẾT BỊ SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI DÙNG CHẤT CHUYỂN PHA 2.1. Mô tả thiết bị Mô hình thiết bị sấy nghiên cứu được mô tả như Hình 1: Hệ thống thiết bị sấy gồm hai khối chính là thiết bị Collector dùng Paraffin tích trữ năng lượng nhiệt mặt trời và TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 thiết bị buồng sấy được kết nối với nhau bằng hệ thống kênh dẫn khí nóng. Cả thiết bị sấy lẫn thiết bị tích trữ nhiệt đều hấp thụ nguồn năng lượng mặt trời và làm việc đồng thời trong quá trình sấy sản phẩm [4]. 2.2. Nguyên lý hoạt động Khi trời có nắng, vật liệu sấy được sấy trực tiếp bằng năng lượng mặt trời, Paraffin tích trữ nhiệt năng lượng mặt trời chuyển pha từ rắn sang lỏng. Khi cường độ bức xạ mặt trời giảm vào cuối ngày, vật liệu sấy tiếp tục được sấy bằng không khí nóng được gia nhiệt ở Collector, khi đó Paraffin sẽ giải phóng lượng nhiệt tích trữ được cho không khí và chuyển pha từ lỏng sang rắn. Hình 1. Mô hình thiết bị sấy cá NLMT có dùng chất Paraffin để trữ nhiệt TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY Thiết bị được sử dụng tính toán nghiên cứu trong bài báo này là một hệ thống sấy cá có công suất 15kg/mẻ, thời gian sấy 15giờ (G = 1kg/h). Độ ẩm của cá trước và sau quá trình sấy tương ứng là ω1=75%, ω2 = 10%. Không khí trước khi vào Collector có nhiệt độ t0=300C, độ ẩm tương đối ϕ0 =77%, p=0,98bar. Cường độ bức xạ mặt trời trung bình cực đại trong ngày ở Đà Nẵng là En=940W/m2. Nhiệt độ tác nhân sấy trước khi vào buồng sấy (sau khi ra khỏi Collector) là t1 = 450C, sau khi ra khỏi buồng sấy t2=320C. Collector có kích thước a x b x h=1200x1600x250mm, trong đó có đặt 13 ống đựng PCM có đường kính Φ60/57mm, dài 1500mm. Trong ống có nhồi phoi kim loại. Khối lượng PCM là 45kg. Collector có nhiệm vụ hấp thụ ánh sáng mặt trời để gia nhiệt cho không khí và gia nhiệt cho PCM. Trong Collector có lắp một nhiệt kế để đo nhiệt độ không khí và PCM trong Collector. Kích thước chi tiết của Collector được thể hiện trên Hình 2. Buồng sấy có kích thước a x b x h = 820x420x1000mm. Chiều cao chân đế là 600mm. Trong buồng sấy có đặt kệ sấy với 4 khay sấy. Kệ sấy làm bằng thép, có 4 tầng, kích thước mỗi tầng là 800x400x150mm. Khay sấy làm bằng lưới thép viền khung gỗ, kích thước 650x400mm. Khoảng hở ở đầu kệ sấy, giữa kệ và khay sấy là 150mm, mục đích là tạo đường đi cho luồng không khí nóng. Như vậy không khí nóng chuyển động song song với các khay sấy và được dẫn đi theo 4 pass như Hình 1. Sau khi tính toán với chất trữ nhiệt là Paraffin và tính chọn các thông số, tổng hợp lại ta có các thông số của Collector như sau: Bảng 1. Các thông số thiết kế của Collector Hình 2. Cấu tạo collector Hình 3. Kích thước thiết bị sấy TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 Thông số Collector đã tính chọn Ký hiệu Giá trị Đơn vị Thông số Collector đã tính chọn Ký hiệu Giá trị Đơn vị Khối lượng Paraffin mpf 45 kg Lượng phoi kim loại nhồi vào mỗi ống mphoi 0,3 kg Khối lượng riêng Paraffin ρpf 910 kg/m 3 Chiều rộng Collector l 1.2 m Nhiệt dung riêng đẳng áp Paraffin rắn Cppfr 2900 J/kgK Chiều dài Collector r 1.6 m Nhiệt dung riêng đẳng áp Paraffin lỏng Cppfl 2930 J/kgK Chiều cao Collector δ 0.2 m Nhiệt chuyển pha của Paraffin rc 189000 J/kgK Chiều dày thép làm Collector δt 0,002 m Nhiệt độ nóng chảy của Paraffin tc 60 0C Chiều dày tấm kính δK 0.005 m Đường kính ngoài ống đựng Paraffin dông 0.06 m Hệ số dẫn nhiệt tấm kính λK 0.8 W/m K Đường kính trong ống đựng Paraffin dôtr 0.057 m Độ trong tấm kính D 0.95 Chiều dài ống đựng Paraffin hô 1.5 m Độ đen tấm hấp phụ ε 0.95 Chiều dày ống đựng Paraffin δô 0.0015 m Chiều dày lớp cách nhiệt δcn 0. 05 m Khối lượng riêng của thép làm ống Paraffin và Collector ρt 7850 kg/m3 Hệ số dẫn nhiệt lớp cách nhiệt λcn 0.055 W/m K Nhiệt dung riêng của thép làm ống Cpt 500 J/kgK Tốc độ dòng không khí qua ωkk 1 m/s TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 Paraffin và Collector Collector Nhiệt độ môi trường tf 30 0C Cường độ bức xạ mặt trời lớn nhất trong ngày En 940 W/m 2 4. KẾT QUẢ ĐO ĐẠC THỰC NGHIỆM 4.1. Hệ thống thiết bị sấy thực Hình 4. Hệ thống thiết bị thí nghiệm sấy cá Hệ thống thiết bị sấy cá công suất 15kg/mẻ gồm các thiết bị chính như Hình 4. Kích thước các thiết bị của hệ thống được chế tạo dựa trên các tính toán thiết kế ở mục 3. 4.2. Kết quả thí nghiệm sấy cá trên mô hình thiết bị Thiết bị thí nghiệm được tiến hành sấy không tải và sấy có tải với loại cá trích và cá giò nhiều mẻ (từ 7h đến 22h ) trong nhiều ngày để điều chính các thông số thực nghiệm hợp lý. Kết quả đo đạc của một ngày sấy cá với cường độ bức xạ mặt trời En = 920 W/m2 được ghi lại như đồ thị Hình 5 và Hình 6. Sản phẩm cá trước lúc sấy và sau khi sấy được chụp lại như Hình 7 [2]. Bộ thu nhiệt có dùng chất trữ nhiệt Buồng sấy TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 Hình 5. Kết quả đo nhiệt độ tại các điểm khảo sát trên hệ thống sấy cá Hình 6. Kết quả đo độ ẩm của cá trong quá trình sấy từ 7h đến 22h Hình 7. Sản phẩm cá trước lúc sấy và sau khi sấy 5. TRIỂN KHAI ỨNG DỤNG VÀO THỰC TẾ Loại Collector có dùng chất trữ nhiệt Paraffin như trên đã được chế tạo với số lượng lớn để lắp đặt cho hệ thống cấp nhiệt của hầm sấy cá công suất 300kg/mẻ tại Công ty Trách nhiệm hữu hạn Sản xuất và Thương mại Hải Vy, Đà Nẵng. Cá trước lúc sấy Cá trích sau khi sấy sấy Cá giò sau khi sấy TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 Hệ thống cấp nhiệt cho hầm sấy gồm 30 Collector với diện tích hứng nắng 60m2 như Hình 8. Nhiệt độ trong hầm sấy được điều chỉnh từ 400C – 450C tùy theo các giai đoạn sấy của quy trình sấy (Hình 9). Những ngày cường độ bức xạ mặt trời lớn trên 900W/m2 hệ thống có thể cấp nhiệt để sấy trong thời gian từ 15 đến 17 giờ, còn những ngày cường độ bức xạ mặt trời thấp, hệ thống có thiết kế thêm buồng đốt bằng củi để hỗ trợ trong quá trình sấy. 6. KẾT LUẬN Thiết bị sấy năng lượng mặt trời có dùng chất trữ nhiệt có khả năng duy trì nhiệt độ sấy thích hợp (400C - 450C) trong thời gian dài, phù hợp để sấy các sản phẩm có thời gian sấy khoảng 15 giờ. Dùng thêm các nguồn năng lượng phụ trợ khác như than, củi hệ thống sấy này có thể hoạt động liên tục trong những ngày nắng yếu. Hệ thống thiết bị sấy dùng Collector có chất trữ nhiệt đã được thiết kế chế tạo và bước đầu triển khai ứng dụng vào thực tế, đạt những kết quả tốt. Do vậy hệ thống thiết bị sấy này hoàn toàn có thể triển Hình 8. Hệ thống Collector và ống dẫn khí nóng đến hàm sấy Hình 9. Hệ thống điều chỉnh và theo dõi nhiệt độ hầm sấy TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC QUẢNG BÌNH, SỐ 02 khai ứng dụng rộng rãi vào thực tế ở Việt Nam với công suất lớn hơn để sấy các loại nông, hải sản. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Dương Hùng (2007), Năng lượng Mặt trời lý thuyết và ứng dụng, Nhà xuất bản Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội. [2] Nguyễn Thị Hồng Nhung (2011), Sử dụng chất chuyển pha để trữ nhiệt trong thiết bị sấy dùng năng lượng mặt trời, Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng. [3] Anthony F. Mills, Heat and Mass Transfer (1995), University of California at Los Angeles. [4] Arun S. Mujumdar (2006), Handbook of Industrial Drying, Taylor and Francis Group, LLC. [5] John A. Duffie, William A. Beckman (1991), Solar Engineering of Thermal Processes, A Wiley - Interscience Publication. RESEARCH ON APPLICATION OF SOLAR ENERGY DRYER Hoang Duong Hung Quang Binh University Abstract. Energy and use of energy problems are great concern of all nations. Solar energy is a clean energy source and is considered as one of the main energy source in the future. Thus the study of improving the efficiency of using solar drying equipment and deployed them to practical application is a problem of taking time. Currently, the country and the world have research and manufacturing many kinds of solar dryers. However, due to characteristics of the Solar energy is only available when the sun should heat the dried product is not stable and continuous deployment of solar dryers in fact very limited. This paper gives results of experimental research and development of solar dryers have heat storage in the use of certain types of dried seafood. Keyword: dryer; solar energy, dried seafood; heat storage; drying process