Tiến Sĩ Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kiểu bậc thang

LUẬN ÁN TIẾN SĨ
NĂM 2014
MỤC LỤC
Mở đầu 1
Chương 1. TỔNG QUAN VỀ SẤY BƠM NHIỆT
VÀ MỘT SỐ VẤN ĐỀ CƠ BẢN VỀ SẤY
1.1. Một số vấn đề cơ bản về sấy 3
1.1.1. Các phương pháp sấy cơ bản 3
1.1.2. Hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt 4
1.1.3. Tiết kiệm năng lượng với HTS BN 5
1.2.Tổng quan kết quả nghiên cứu HTS BN 6
1.2.1. Tổng quan các kết quả nghiên cứu trên thế giới 6
1.2.2. Kết quả nghiên cứu về sử dụng HTS BN ở Việt Nam 12
1.3.Một số vấn đề truyền nhiệt truyền chất trong vật liệu sấy 16
1.3.1. Quy luật dịch chuyển nhiệt - ẩm trong lòng vật liệu 16
1.3.2. Mô hình toán học biểu diễn hiện tượng dịch chuyển trong VLS 17
1.3.2.1. Mô hình thực nghiệm 17
1.3.2.2. Mô hình truyền nhiệt truyền chất 17
1.3.2.3. Một số mô hình toán nghiên cứu hiện tượng co ngót VLS 18
1.3.3. Một số phương pháp xác định thời gian sấy 20
1.3.3.1. Phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm 20
1.3.3.2. Phương pháp thực nghiệm 26
1.3.3.3. Phương pháp lý thuyết tương tự 27
1.4. Kết luận chương 1. 30

Chương 2. VẬT LIỆU VÀ PHưƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Vật liệu nghiên cứu 31
2.2. Phương pháp nghiên cứu 32
2.2.1. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 32
2.2.2. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm
2.2.3. Xử lý số liệu thực nghiệm
2.3. Kết luận chương 2 36
Chương 3. NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT TRONG VẬT LIỆU SẤY 37
3.1. Mô hình toán học của quá trình TNTC có xét đến hiện tượng CN VLS
3.2. Phương pháp giải mô hình toán học của quá trình TNTC có xét đến
ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS
3.2.1. Xác định tốc độ co ngót của VLS
3.2.2. Xác định các thông số nhiệt vật lý của TNS
3.2.3. Xác định các thông số nhiệt vật lý của cà rốt
3.2.3.1. Nhiệt dung riêng của cà rốt
3.2.3.2. Hệ số dẫn nhiệt của cà rốt
3.2.3.3. Khối lượng riêng của cà rốt
3.2.3.4. Xác định độ ẩm cân bằng của cà rốt
3.2.3.5. Xác định hệ số khuếch tán ẩm hiệu quả của cà rốt
3.2.4. Xác định hệ số trao đổi nhiệt và trao đổi chất đối lưu
3.2.4.1. Xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu
3.2.4.2. Xác định hệ số trao đổi chất đối lưu
3.2.5. Giải hệ phương trình 3.2 bằng phương pháp sai phân hữu hạn
3.2.5.1. Hệ phương trình sai phân truyền nhiệt
3.2.5.2. Hệ phương trình sai phân truyền ẩm
3.3. Hiệu chỉnh phương pháp tương tự xác định TGS
3.4. Kết luận chương 3
Chương 4. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM
4.1. Một số vấn đề trong nghiên cứu thực nghiệm
4.1.1. Khái niệm về các loại độ ẩm của vật liệu
4.1.2. Xác định các đại lượng trong điều kiện nghiên cứu thực nghiệm
4.2. Mô hình thiết bị thí nghiệm HTS BN kiểu bậc thang
4.2.1. HTS BN kiểu bậc thang
4.2.2. Mô hình thiết bị thí nghiệm HTS GT-01
4.2.2.1. Sơ đồ nguyên lý HTS BN kiểu bậc thang
4.2.2.2. Mục tiêu của HTS BN kiểu bậc thang
4.2.2.3. Cấu trúc của mô hình thiết bị thí nghiệm HTS GT-01
4.2.2.4. Bố trí thiết bị đo và lấy số liệu
4.2.2.5. Khả năng thay đổi chế độ hoạt động của HTS GT-01
4.3. Kết luận chương 4.
Chương 5. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
5.1. Kết quả nghiên cứu lý thuyết TNTC khi kể đến hiện tượng CN VLS
5.1.1. Ảnh hưởng của thông số TNS đến độ chứa ẩm và TGS 74
5.1.2. Ảnh hưởng của điều kiện ban đầu VLS đến độ chứa ẩm và TGS 77
5.1.3. Lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS 79
5.1.4. Động học QTS 81
5.1.4.1. Đường cong sấy 81
5.1.4.2. Đường cong nhiệt độ sấy 82
5.1.4.3. Đường cong tốc độ sấy 84
5.1.4.4. Lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS 85
5.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm 87
5.2.1. Xác định các thông số của VLS và TNS để tính lý thuyết theo TN87
5.2.2. Đánh giá độ chính xác của mô hình toán học có kể đến ảnh hưởng của CN VLS so với TN88
5.2.2.1. Đánh giá theo sự thay đổi độ ẩm tương đối VLS 88
5.2.2.2. Đánh giá theo sự thay đổi khối lượng VLS 89
5.2.2.3. Đánh giá theo tốc độ sấy 91
5.2.3. Đánh giá sự hiệu chỉnh phương pháp xác định TGS theo lý
thuyết tương tự khi kể đến CN VLS
5.2.3.1. Xác định hệ số khuếch tán ẩm theo sự CN VLS 93
5.2.3.2. Xác định thời gian sấy 95
5.2.4. Thí nghiệm đánh giá tiết kiệm năng lượng của HTS GT-0198
5.2.5. Thực nghiệm đánh giá tiết kiệm năng lượng theo phương án do
chúng tôi đề xuất102
5.3. Kết luận chương 5 104
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ106
Kết luận 106
Những đóng góp mới của luận án
Kiến nghị
Danh mục các công trình của tác giả đã công bố có liên quan đến luận án 109
Tài liệu tham khảo


1. Phụ lục 1. Kết quả giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất khi tốc
độ TNS thay đổi
2. Phụ lục 2. Kết quả giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất khi
nhiệt độ TNS thay đổi
3. Phụ lục 3. Kết quả giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất độ ẩm
TNS thay đổi
4. Phụ lục 4. Kết quả giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất khi độ
ẩm ban đầu của VLS thay đổi
5. Phụ lục 5. Kết quả giải hệ phương trình truyền nhiệt truyền chất khi
nhiệt độ ban đầu của VLS thay đổi
6. Phụ lục 6. Kết quả thí nghiệm các chế độ sấy khác nhau trên HTS GT-01

7. Phụ lục 7. Kết quả thí nghiệm đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng
của phương án vận hành HTS GT-01 do chúng tôi đề xuất.
8. Phụ lục 8. Một số hình ảnh của HTS GT-01, VLS và thiết bị sử dụng
trong hệ thống.
``````````
9. Phụ lục 9. Đồ thị logp_h của 2 chu trình lạnh và đồ thị i-d của TNS khi
thực nghiệm trên HTS GT-01 ở một chế độ làm việc cụ thể.

MỞ ĐẦU
 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Sấy là một trong những biện pháp bảo quản và chế biến sản phẩm đã được sử
dụng rất sớm trong lịch sử loài người. Trong quá trình sấy vật liệu ẩm nói chung và
nông sản nói riêng, hiện tượng diễn ra phổ biến ở đây chính là hiện tượng truyền
nhiệt truyền chất liên hợp. Khi nghiên cứu lý thuyết hiện tượng truyền nhiệt truyền
chất liên hợp, các tác giả thường dựa vào việc giải hệ phương trình vi phân truyền
nhiệt truyền chất ứng với các điều kiện đơn trị khác nhau. Trong nhiều năm, người
ta đã cố gắng để làm sao cho mô hình toán học đó phản ánh được nhiều nhất các
yếu tố tác động đến hiện tượng. Mặc dù các công cụ tính toán đã rất phát triển
nhưng khi áp dụng hay ứng dụng cụ thể còn có nhiều mặt hạn chế, đặc biệt là sự
nghiên cứu ảnh hưởng của các hiện tượng qua lại lẫn nhau còn ít và chưa đầy đủ
hoặc đã bỏ qua một số ảnh hưởng quan trọng mà trong thực tế vẫn diễn ra. Sự ảnh
hưởng của trường độ ẩm đến trường nhiệt độ trong vật liệu sấy là rất rõ, nhất là khi
kể đến ảnh hưởng của hiện tượng co ngót vật liệu trong quá trình sấy. Bên cạnh đó,
việc nghiên cứu ứng dụng những hệ thống thiết bị sấy hiện đại vào điều kiện ở nước
ta là một trong những đòi hỏi cấp bách do đặc thù Việt nam là một nước có nền
nông nghiệp phát triển, các sản phẩm nông sản sau thu hoạch do không được xử lý
kịp thời đã dẫn đến sự hao hụt và làm giảm chất lượng sản phẩm. Bơm nhiệt là một
trong những thiết bị có khả năng tiết kiệm năng lượng cao và đã được chứng minh
bằng lý thuyết cũng như trong thực tế kỹ thuật. Khi sử dụng bơm nhiệt thay cho hệ
thống sấy thông thường, nó đã mang lại hiệu quả to lớn mà các công trình nghiên
cứu trong và ngoài nước đã tổng kết. Tuy nhiên, bên cạnh những kết quả đã đạt
được trong kỹ thuật sấy thì việc sử dụng bơm nhiệt trong hệ thống sấy vẫn còn có
những vẫn đề tồn tại và phải giải quyết. Hệ thống sấy bằng bơm nhiệt là hệ thống
sấy ở nhiệt độ vừa phải, vì vậy thời gian sấy sẽ lớn hơn so với các hệ thống sấy
thông thường và do đó việc tiêu hao năng lượng luôn là vấn đề cần quan tâm và cải
thiện, nhất là trong bối cảnh năng lượng đang ngày càng cạn kiệt mà nhu cầu lại
ngày càng tăng trên thế giới cũng như ở Việt Nam. Mặt khác, theo động học quá
trình sấy, lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu sấy sẽ thay đổi theo thời gian và giảm dần
ở cuối quá trình, tương ứng với nó thì nhiệt năng cần cung cấp cho vật liệu sấy cũng
giảm dần trong khi hệ thống hoạt động liên tục cũng là vấn đề làm cho lãng phí
năng lượng. Vì vậy, việc nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng của hệ thống sấy sử
dụng bơm nhiệt và vận hành hợp lý hệ thống sấy nhằm đảm bảo phù hợp với động
học quá trình sấy là rất cần thiết và luôn là vấn đề thời sự nhất là ở trong hoàn cảnh
nước ta.
Với những yêu cầu cấp bách đặt ra như vậy, việc lựa chọn đề tài: “Nghiên cứu
quá trình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kiểu bậc
thang” là thực sự cấp thiết và phù hợp trong giai đoạn hiện nay ở Việt nam.
 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu của chúng tôi nhằm đạt được 03 mục đích cụ thể sau:
- Nghiên cứu hiện tượng trao đổi nhiệt trao đổi chất trong quá trình sấy bằng hệ
thống sấy dùng bơm nhiệt kiểu bậc thang có xét ảnh hưởng của độ ẩm đến trường
nhiệt độ và ảnh hưởng của sự co ngót vật liệu trong quá trình sấy .
- Hiệu chỉnh phương pháp xác định thời gian sấy theo sự co ngót của vật liệu để
tăng khả năng ứng dụng và độ chính xác cho phương pháp để phù hợp với hiện
tượng trong thực tế.
- Đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống sấy bơm nhiệt kiểu bậc
thang.