Báo cáo nghiên cứu khoa học: " NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH SẤY THÓC BẰNG THIẾT BỊ SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN"

Chia sẻ: Nguyễn Phương Hà Linh Linh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:7

Thêm vào BST

Báo xấu

108
lượt xem 20
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Thường sử dụng dạng hong phơi tự nhiên trực tiếp dưới ánh nắng mặt trời. Đó là phương pháp đơn giản với chi phí thấp nhất, nhưng có nhiều hạn chế như: thóc khô không...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Báo cáo nghiên cứu khoa học: " NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH SẤY THÓC BẰNG THIẾT BỊ SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN"

TẠP CHÍ KHOA HỌC, Đại học Huế, Số 55, 2009 NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH SẤY THÓC BẰNG THIẾT BỊ SẤY NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KIỂU ĐỐI LƯU TỰ NHIÊN Minh C ng, Phan Hòa ỗĐ ờư Tr ng i h c Nông Lâm, i h c Hu ọ ạĐ ờư ọ ạĐ ế TÓM TẮT Thi t b s y n ng l ng m t tr i ki u i l u t nhiên dùng s y thóc có k t c u n ă ấị ế ợư ặ ự ư ốđ ể ờ ấ ểđ ơđ ấ ế gi n, d s d ng và giá thành th p, phù h p v i quy mô h nông dân, có th s d ng v t li u có ụửễ ả ấ ớợ ộ ệ ậ ụửể sn a ph ng ch t o. Khi s d ng thi t b này, th i gian s y rút ng n nhi u so v i ph i ạ ế ểđ ơư ịđ ở ẵ ử ụ ịế ờ ấ ềắ ơớ n ng t nhiên khi trong cùng m t i u ki n nh nhau, m b o s l ng và ch t l ng c a thóc ựắ ềđ ộ ưệ ợư ố ả ảđ ủ ợư ấ s y, không b các côn trùng và chim chu t thâm nh p phá ho i, phòng ng a c m a m. ấ ị ộ ậ ạ ẩ ư ợưđ ừ Thi t b này c ng có th c s d ng s y m t s s n ph m nông nghi p khác. ịế ũ ụ ử ợưđ ể ẩ ả ố ộ ấ ểđ ệ 1. Đặt vấn đề Trong khâu phơi sấy thóc, nông dân thường sử dụng dạng hong phơi tự nhiên trực tiếp dưới ánh nắng mặt trời. Đó là phương pháp đơn giản với chi phí thấp nhất, nhưng có nhiều hạn chế như: thóc khô không đều, có thể nhiễm bẩn do đất cát hoặc bị các loại chim, chuột phá hoại và không chủ động bởi thời tiết thất thường. Việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời (NLMT) để gia nhiệt cho thiết bị sấy thóc nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng bức xạ mặt trời, bảo đảm năng suất và chất lượng quá trình sấy là một hướng đi phù hợp với điều kiện thực tế và là vấn đề cấp thiết hiện nay. Vì vậy, chúng tôi tiến hành thực hiện đề tài: Nghiên cứu quá trình sấy thóc bằng thiết bị sấy NLMT kiểu đối lưu tự nhiên, nhằm: - Xác định mẫu thiết bị sấy thóc sử dụng NLMT phù hợp với đặc điểm nông hộ trên địa bàn tỉnh Thừa Thiên Huế. - Xác định trạng thái của quá trình sấy hạt nông sản bằng thiết bị sấy sử dụng NLMT kiểu đối lưu tự nhiên, làm cơ sở để thiết kế, chế tạo các thiết bị sấy NLMT. 2. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp thu thập thông tin thông qua các tài liệu xuất bản và internet. - Phương pháp đo số liệu bằng các dụng cụ chuyên dùng. - Phương pháp xử lý số liệu bằng toán xác xuất thống kê nhờ phần mềm Excel, 27
Cropwat 4.0. - Phương pháp tính toán lý thuyết bằng toán giải tích. - Phương pháp thực nghiệm sấy lúa trên mô hình thí nghiệm. 3. Nội dung và kết quả nghiên cứu 3.1. Lựa chọn nguyên lý làm việc của thiết bị Thiết bị sấy bằng NLMT được thực hiện theo hai phương pháp: Thiết bị sấy trực tiếp và thiết bị sấy gián tiếp. Thiết bị sấy trực tiếp có tuần hoàn khí tự nhiên. Thóc được trải thành một lớp mỏng trong một phòng kín hấp thụ với phía trên được che phủ bằng một tấm trong suốt. Thóc được gia nhiệt và nóng lên, ẩm được bốc hơi và thoát ra ngoài. Phương pháp này đơn giản, không sợ trời mưa và thóc không bị nhiễm bẩn. Nhưng nó có nhược điểm: Quá trình sấy chậm, mất nhiều thời gian, chỉ sấy được lớp thóc mỏng nên năng suất thấp. Thiết bị sấy gián tiếp có dẫn nhiệt cưỡng bức. Thóc được đặt tại các sàng sấy, khí nóng được lấy từ bộ thu nhiệt NLMT thổi xuyên qua các vĩ sấy và lớp thóc làm cho thóc khô dần. Phương pháp này có ưu điểm: Do hiệu suất của bộ hấp thụ cao hơn nên nhiệt độ sấy cao hơn, quá trình sấy đều hơn do không khí nóng đi từ dưới lên. Nhưng nó có nhược điểm: diện tích chiếm chỗ của thiết bị lớn, quá trình sấy còn phụ thuộc vào nguồn năng lượng bên ngoài để chạy quạt, giá thành thiết bị cao hơn. Xuất phất từ những ưu, nhược điểm của hai phương pháp trên, chúng tôi chọn nguyên lý sấy hỗn hợp kiểu đối lưu tự nhiên 3.2. Tính toán lý thuyết mô hình thiết bị Từ công thức tính hiệu suất của collector: ηC = v.ρ.CP.∆t AC.En Trong đó: v – Thể tích khí thổi qua collector trong một thời gian, m3/s ρ – Tỷ trọng của không khí, kg/m3 CP – Nhiệt dung riêng của không khí, KJ/kgoK ∆t – Nhiệt độ nóng lên của không khí sau khi đi qua Collector, oC En – Cường độ của bức xạ mặt trời, W/m2 AC – Diện tích của collector , AC = v.ρ.CP.∆t , m2 ηC.En * Lượng ẩm cần tách khỏi hạt tính theo công thức: mW = (100 – W ) , kg ẩm m (W1 – W2) 2 Trong đó: m – Khối lượng thóc tươi cần sấy, m = 200 kg 28
W1 – Độ ẩm của thóc tươi, W1 = 27% W2 – Độ ẩm của thóc khô thành phẩm, W2 =13% 200 x (27 – 13) => mW = = 32,18 (kg) (100 – 13) * Lượng ẩm cần tách trong 1 giờ: g = mW /t , kg/h Trong đó: t – Thời gian sấy: t = (W2- W1) ω (h); Với ω – Tốc độ sấy (%/h), đối với sấy đối lưu tự nhiên, chọn ω = 0,9%/h = 15,6 (h) ; Ta chọn thời gian sấy: t = 16 h. (27 - 13) t= 0.9 => g = mW /t = 32,18 / 16 = 2,01 (kg ẩm /h) * Tính toán cân bằng nhiệt - ẩm quá trình sấy: + Trạng thái không khí trước collector: Với t1 = 300C; ϕ1 = 80%; tra phụ lục [3] có ps1 = 0,04142 bar Độ chứa ẩm của không khí tự nhiên: ϕ1Ps1 0.8x0.04241 d1 = 0,622. = 0,622 . = 0,022 (kg/kgKK) P- ϕ1Ps1 1-0.8x0.04241 Entanpi của không khí tự nhiên là : I1 = Cpk. t1 +d1 (r+Cph.t1), kJ/kgKK Trong đó: – Nhiệt dung riêng của không khí khô; Cpk ≈ 1kJ/kgKK Cph ≈ 1,93kJ/kgKK – Nhiệt dung riêng của hơi nước; – Nhiệt ẩn hóa hơi của nước. r ≈ 2500 kJ/kg => I1 = 1. 30 + 0,022 (2500 +1,93. 30) = 86,3 (kJ/kgKK) + Trạng thái không khí cuối collector: Chọn t2 = 700C; tra phụ lục [3] có ps2 = 0,3117 bar Xem hệ thống là kín, có d1 = d2 nên I2 = Cpk.t2 +d2 (r+ Cph.t2) I2 = 1.70 +0,022 (2500 +1,93. 70) = 127,97 (kJ/kgKK) d2P 0.022x1 Tính ϕ2 = (0,622+d )Ps2 .100% = (0.622+0.022)x0.3117 .100% = 11 (%) 2 + Trạng thái không khí cuối quá trình sấy: Trạng thái này xác định bởi I3 = I2, chọn t3 = 380C, => Ps3 = 0,06674 bar 29
I3- t3 127.97- 38 => d3 = 2500+1.93t = = 0,035 (kg/kgKK) 2500+1.93x38 3 d3P 0.035x1 ϕ3 = (0.622+d )P 100% = (0.622+0.035)x0.06674 . 100% = 80% 3 s3 + Tiêu hao không khí lý thuyết: = 76 (kgKK/kg ẩm) 1 1 l0 = = d3-d1 0.035-0.022 Nếu xem hệ thống là kín thì lượng không khí khô cần thiết để sấy 200 kg thóc từ độ ẩm 27% đến độ ẩm 13% là: mL = mW. l0 = 32,18 . 76 = 2445,7 (kgKK) Tra phụ lục [3], ta tính được tổng thể tích không khí ẩm qua collector là: V = mL .v0 = 2445,7 . 0,951 = 2325,9 (m3) => Thể tích không khí đi qua collector trong một giây là: v = 2325,9/ 16. 3600 = 0,0404 (m3/s) Tỷ trọng của không khí được tính như sau: 99333 99333 ρ= = 1,224 (kg/m3) = (287+462xd1)x(273+t1) (287+462x0,022)x(273+30) * Với các số liệu tính được, ta có: v = 0,0404 m3/s; ρ = 1,224 kg/m3; CP = 1,005 KJ/kgKK; ∆t (kk)= 40 oC; En, = 900 W/m2; chọn ηC = 0,30. Vậy diện tích của collector: v.ρ.CP.∆t 0.0404x1.224x1.005x1000x40 = 7,36 (m2) AC = = ηC.En 0.30x900 Do chọn mô hình thí nghiệm theo nguyên lý sấy hỗn hợp đối lưu tự nhiên, nên lấy diện tích của Collector 1 (sấy gián tiếp): S1 = 3,4m2; diện tích của Collector 2 (buồng sấy trực tiếp): S2 = 4m2 * Diện tích sàn sấy: S = m/ γ. a , m2 Trong đó: γ – Tỷ trọng của thóc, γ = 530 kg/m3; a – Bề dày lớp thóc sấy, chọn a = 0,08 m. => S = 200/530 . 0,08 = 3,8 (m2). Ta chọn diện tích sàn sấy là 4 m2. 3.3 Chế tạo mô hình thiết bị sấy thóc sử dụng NLMT, năng suất 200 kg/mẻ Hình ảnh mô hình thiết bị sấy để khảo nghiệm được thể hiện ở hình 1: 30
5 4 3 4 2 1 5 Hình 1. Hình nh c a mô hình kh o nghi m s y thóc 200 kg/m . ả ủ ả ấệ ẻ 1. Tôn m k m s n en; 2. T m kính trong su t; 3. G t p dày 3 mm; đơ ẽạ ấ ố ạỗ 4. T m ph trong su t; 5. Khung s t V. ấ ủ ố ắ 3.4. Khảo nghiệm Sau khi chế tạo mô hình, chúng tôi đã tiến hành khảo nghiệm với sản phẩm sấy là thóc tươi (giống XL). Bề dày lớp thóc sấy là 10 cm; diện tích sấy là 4 m2; độ ẩm không khí tự nhiên 80%; nhiệt độ cao nhất trong ngày là 370C, trời nắng không mưa. W,% 28 Ngày s y th nh t ấ ứ ấ 26 24 L p trên L p gi a 22 L pd i ư T Bình 20 Ngày s y th hai ấ ứ 18 16 14 12 10 8h00 9h00 10h00 11h00 12h00 13h00 14h00 15h00 16h00 8h00 9h00 10h00 11h00 12h00 13h00 14h00 15h00 16h00 T, h Hình 2. ng cong gi m m c a các l p h t. ờưĐ ủ ẩả ạớ 31
Qua 02 ngày sấy tại sân của khoa Cơ khí - Công nghệ, trường Đại học Nông Lâm Huế, kết quả khảo nghiệm được thể hiện ở các đồ thị sau: - Đường cong giảm ẩm của các lớp sấy theo thời gian của các lớp sấy (hình 2) Kết quả khảo nghiệm cho thấy, quá trình giảm ẩm của các lớp hạt cũng tuân theo quy luật. Đây là phương pháp sấy có ủ (thời gian ủ khoảng 16 giờ) nhằm tạo cho độ ẩm ở bên trong khối hạt được thoát ra ngoài. Sau ngày sấy thứ nhất, có sự sai khác về độ ẩm của các lớp hạt. Kết thúc quá trình sấy, độ ẩm giữa các lớp hạt chênh lệch không đáng kể. t,oC 46 44 42 40 38 L p trên 36 Ngày s y th nh t Ngày s y th hai ấ ứ ấ ấ ứ 34 L p gi a 32 L pd i ư 30 8h00 9h00 10h00 11h00 12h00 13h00 14h00 15h00 16h00 8h00 9h00 10h00 11h00 12h00 13h00 14h00 15h00 16h00 T, h Hình 3. th bi u th bi n thiên nhi t c a các l p h t theo th i gian. ể ị ồĐ ếị ủ ộđ ệ ạớ ờ Qua các đồ thị ở hình 3 ta thấy, quy luật biến thiên nhiệt độ của các lớp hạt trong quá trình sấy sử dụng NLMT có sai khác so với quy luật biến thiên nhiệt độ các lớp hạt trong sử dụng các loại phương pháp sấy khác. Khi khảo nghiệm với máy sấy sử dụng NLMT kiểu đối lưu tự nhiên ta thấy: Giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ khối hạt tăng nhanh; giai đoạn tốc độ sấy không đổi, nhiệt độ sấy tăng chậm và có quan hệ phi tuyến với thời gian do cường độ bức xạ mặt trời biến thiên theo thời gian trong ngày. Sự sai khác nhiệt độ giữa các lớp trong ngày rất rõ rệt. Chênh lệch nhiệt độ của khối hạt so với không khí tự nhiên tối đa đến 100C. Qua quá trình khảo nghiệm trên mô hình thiết bị sấy thóc sử dụng NLMT, ta thấy: Với hệ thống sấy hỗn hợp đối lưu tự nhiên có thể sấy được các loại hạt nông sản cần nhiệt độ thấp, thời gian sấy dài (sấy có ủ). Hệ thống có thể nâng nhiệt độ khối hạt lên đến 45 - 540C. Quá trình sấy có thể không cần đảo trộn với độ dày nhất định, do vậy, giảm được nhân công. Sử dụng thiết bị cũng đã tăng nhanh tốc độ sấy (16 giờ) so với phơi tự nhiên (trên 24 giờ) với cùng một diện tích chiếm chỗ, giảm tổn thất trong phơi sấy (không bị sâu bọ, chim chuột phá hoại hay bụi bẩn), tránh được mưa, khống chế được nhiệt độ nên giảm được tỷ lệ rạn nứt ngầm của hạt, chất lượng sấy đồng đều hơn nên tăng được chất lượng sản phẩm. 32
Nhược điểm của thiết bị: Trong quá trình sấy, nhiệt độ sấy biến thiên theo thời gian trong ngày và quá trình sử dụng phụ thuộc nhiều vào thời tiết. 4. Kết luận Sau khi tính toán, đã lựa chọn được nguyên lý và chế tạo thiết bị sấy thóc hỗn hợp kiểu đối lưu tự nhiên với năng suất 200 kg/mẻ. Kết quả khảo nghiệm, cho thấy thiết bị sấy NLMT có thể giảm được nhân công phục vụ, giảm được tổn thất trong quá trình sấy so với phơi nắng tự nhiên, đặc biệt là tăng được tốc độ sấy (gấp 1,5 đến 2 lần so với sấy tự nhiên với bề dày lớp sấy như nhau). Kết cấu thiết bị sấy đơn giản, dễ chế tạo, vật liệu sẵn có ở địa phương. Có thể vận dụng thiết bị này để sấy các loại hạt nông sản khác. TÀI LIỆU THAM KHẢO 1. Cao V n Hùng, Nguy n H u D ng, “S y và b o qu n thóc, ngô gi ng trong gia ình”, ă ễ ữ ơư ấ ả ả ố đ Nhà xu t b n Nông nghi p, Thành ph H Chí Minh, 2001. ấ ả ệ ố ồ 2. Tr n V n Phú, Tính toán và thi t k h th ng s y, Nhà xu t b n Giáo d c, 2001. ố ệếế ấ ầ ă ấ ả ụ 3. Tr n V n Phú, Giáo trình k thu t nhi t, Nhà xu t b n Giáo d c, 2003. ệậỹ ầ ă ấ ả ụ 4. Nguy n Duy Thi n, K thu t s d ng N ng l ng m t tr i, Nhà xu t b n Xây d ng, ă ụửậ ỹ ợư ờặ ễ ệ ấ ả ự Hà N i, 2001. ộ 5. Nguy n Công Vân, N ng l ng m t tr i – lý thuy t và ng d ng, Nhà xu t b n Khoa ă ợư ờặ ế ứ ụ ễ ấ ả h c k thu t, Hà N i, 2002 ọ ỹ ậ ộ 6. Làm khô nông s n b ng n ng l ng m t tr i, T ch c l ng th c và nông nghi p th ằả ă ợư ờặ ổ ứ ơư ự ệ ế gi i. ớ 7. Taylor and Francis Group, Handbook Dryer, LLC, 2006. 8. Solar dryers - their role in post – harvest processing, Commonwealth science council. RESEARCH ON PROCESS OF PADDY DRYING BY SOLAR ENERGY EQUIPMENT WITH NATURAL CONVECTION TYPE Do Minh Cuong, Phan Hoa College of Agriculture and Forestry, Hue University SUMMARY The proposed drying equipment using solar energy was designed and constructed simply with low accuracy and low cost. Material used to prepare this equipment is locally available and this can be easily made by farmers. This equipment can shorten the drying time by half comparing with natural sunlight drying under the same condition ensuring the quantity and quality of the drying paddy so that humid air may be prevented. It also can be used for drying some other agricultural products. 33