Tóm tắt Luận án Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất trong quá trình sấy bằng bơm nhiệt kiểu bậc thang

in in c c m in 1in 1 4 4 m m s in c 0 xin in 0 in 1 x x M m ( x (m ))M MV M V M V M 2 2 M x x V V V m ( x (m )) 2 2                                      (3.55) Nhiệt độ trung bình theo thể tích của vật liệu ở thời điểm “m” sẽ được tính tương tự theo biểu thức: 4n m m mm m m m m m s 0 xin in cs s i i c c m in 1i 0 4 4 m m s in c 0 xin in 0 in 1 x x t m ( x (m ))t tV t V t V t 2 2 t x x V V V m ( x (m )) 2 2                                      (3.56) Tổng lượng nhiệt VLS nhận được từ TNS sau toàn bộ QTS sẽ là: q = q=(ta – ts), J/m 2 (3.57) 3.3. HIỆU CHỈNH PHƯƠNG PHÁP TƯƠNG TỰ XÁC ĐỊNH TGS Theo lý thuyết tương tự để xác định TGS đã trình bày trong 1.3.3, việc xác định các đại lượng như độ ẩm đầu, độ ẩm cuối, độ ẩm cân bằng, hệ số trao đổi ẩm và đặc biệt là hệ số khuếch tán ẩm của VLS rất quan trọng vì chúng có ảnh hưởng trực tiếp đến kết quả tính TGS. Trong luận án này, chúng tôi đề xuất phương án hiệu chỉnh cách tính TGS theo lý thuyết tương tự như sau: Trong các đại lượng có tác động đến TGS khi tính toán theo lý thuyết tương tự thì việc xác định hệ số khuếch tán ẩm của VLS có ảnh hưởng rất lớn đến kết quả tính toán. Đặc biệt trong trường hợp kể đến ảnh hưởng của sự CN VLS, kích thước VLS sau QTS có sự thay đổi khá lớn. Ảnh hưởng của hệ số khuếch tán và kích thước của VLS khi tính đến hiện tượng CN thể hiện trong FoM, đại lượng tìm được nhờ phương pháp tương tự: 2M .D Fo    (3.59) Như vậy, cần phải xác định kích thước cuối end ứng với giá trị độ ẩm cuối QTS Mend, ở giá trị này thì cần phải xác định được hệ số khuếch tán Dend. Từ đó mới có thể tìm được giá trị FoM chính xác ở cuối QTS. Tuy nhiên để đảm bảo độ chính xác của việc xác định TGS cần thiết phải có các giá trị D từ TN tương ứng với quá trình tính toán. Trong trường hợp đã có số liệu từ TN thì giá trị thu được ứng với một kích thước không đổi nào đó của VLS cũng chưa phản ánh hết được thực tế trong khi có sự CN của VLS. Ở đây, dựa vào TN, chúng tôi đề xuất các tính toán các giá trị end, Dend theo Mend như sau: Xác định kích thước đầu 0 và kích thước kết thúc QTS e (ứng với trạng thái cân bằng của VLS với TNS). Các giá trị này cũng tương ứng với độ chứa ẩm ban đầu M0 và độ chứa ẩm cân bằng Me của VLS. Tại các thời điểm lấy mẫu M (Me < M < M0) sẽ có tương ứng một kích thước  (e <  < 0), giả thiết hiện tượng CN xảy ra theo thời gian thông qua quan hệ (3.60), có “n” số lần lấy mẫu nên kích thước i ở thời điểm thứ i là: n .i e0 0i   (3.60) Từ đây sẽ có được “n” giá trị của  tương ứng với “n” giá trị của M. Xây dựng quan hệ giữa  và M:  = f(M) (3.61) - 9 - Việc tiếp theo là cần xác định giá trị của D theo số liệu TN QTS, Nghiệm của quá trình trao đổi ẩm đối với tấm phẳng trong trường hợp không CN và D không đổi có dạng:       2 2 2 0 .4 .D ) 8 ln( M M ln (3.62) Dựa vào số liệu TN, quan hệ giữa ln(M/M0) và thời gian  sẽ có dạng đường thẳng và độ dốc k của đường thẳng này chính là (D.2/2). Từ đây sẽ tính được giá trị D theo TN: 2 2 .4 .D k    (3.63) Từ (3.63) cho thấy, với trường hợp  = const hay không có CN ta sẽ xác định được giá trị D theo k. Tuy nhiên, nếu trong trường hợp CN xảy ra thì giá trị này lại giảm dần theo  và sẽ đạt nhỏ nhất ở e. Vì vậy, để giải quyết vấn đề này có thể tính Di ở thời điểm i theo biểu thức sau: )( DD DD)( DD D i0 e0 e0 0eei e0 e0 i        (3.64) Trong đó: D0 và De , m 2/s là giá trị của hệ số khuếch tán tính theo (3.62) nhưng ở 0 và e. Như vậy, với cách lập luận như trên, hệ số khuếch tán ẩm D, kích thước  ở bất kỳ thời điểm nào trong QTS thì sẽ tính được hay nói cách khác là ở độ ẩm cuối Mend của QTS có thể tính được và thời gian sấy cũng sẽ xác định được theo FoM. Đây chính là cách giải quyết, hiệu chỉnh cách tính TGS của VLS theo lý thuyết tương tự khi có kể đến CN VLS. 3.4. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3. Qua nghiên cứu TNTC trong VLS chúng tôi đi đến 5 kết luận sau đây: 1. Chọn được mô hình toán học biểu diễn quá trình TNTC có kể đến ảnh hưởng của CN VLS 2. Trên cơ sở giả thiết sự CN là tuyến tính theo chiều dày của VLS, chúng tôi đã đưa hệ số tốc độ CN vào mô hình toán học để tính toán. 3. Phân tích và lựa chọn các biểu thức tính toán xác định các thông số nhiệt vật lý của TNS cũng như của cà rốt sấy. 4. Thiết lập hệ phương trình SPHH để giải bài toán TNTC khi tính đến ảnh hưởng của CN VLS. Xây dựng thuật toán để giải hệ phương trình SPHH đó. 5. Đề xuất cách hiệu chỉnh phương pháp xác định TGS theo lý thuyết tương tự. Chương 4 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 4.1. MỘT SỐ VẤN ĐỀ TRONG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIẸM. 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. Nội dung của phần này là giới thiệu cách xác định giá trị độ ẩm ban đầu, khối lượng vật liệu khô (VLK), độ ẩm cuối của VLS theo TN. 4.2. MÔ HÌNH THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM HTS BN KIỂU BẬC THANG 4.2.1. HTS BN kiểu bậc thang Nội dung của phần này trình bày khả năng tiết kiệm của HTS BN kiểu bậc thang khi so với chu trình không hoạt động theo kiểu bậc thang và cũng là lý do để chúng tôi xây dựng mô hình TN. HTS BN này được chúng tôi đặt tên là HTS GT-01. - 10 - 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 Cũng như HTS BN chỉ có một dàn BH, ở đây TNS là không khí trước tiên đi qua dàn BH được khử ẩm do tiếp xúc với bề mặt dàn BH có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ đọng sương và giảm nhiệt độ. Sau đó TNS đi qua dàn NT để thực hiện quá trình đốt nóng đẳng dung ẩm. Điều khác biệt là ở đây sử dụng 2 chu trình lạnh độc lập, không khí lần lượt đi qua dàn BH2 và BH1. Dàn BH2 có nhiệm vụ làm lạnh một phần TNS xuống nhiệt độ điểm sương, nhờ vậy dàn BH1 dành nhiều bề mặt trao đổi nhiệt của nó để thu hồi nhiệt ẩn. 4.2.2.2.Mục tiêu của HTS BN kiểu bậc thang HTS BN kiểu bậc thang có thể tiết kiệm NL tới gần 25% so với chu trình lạnh thông thường khi dùng 1 bậc thang theo 4.2.1. Ngoài ra, khi TNS đi qua lần lượt 2 dàn BH, khả năng thu hồi nhiệt và tách ẩm của HTS tăng lên rõ rệt. Theo kết quả nghiên cứu động học sấy và lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS cho thấy HTS BN kiểu bậc thang cũng là một hướng đi để có thể tiết kiệm NL thông qua việc điều chỉnh năng suất nhiệt của HTS. 4.2.2.3. Mô hình thiết bị thí nghiệm HTS GT-01 Sơ đồ nguyên lý của mô hình thí nghiệm HTS GT-01 và hình ảnh của mô hình được chúng tôi giới thiệu trong hình 4.8 và hình 4.11b. Hình 4.8. Sơ đồ nguyên lý của mô hình TN HTS GT-01 1. Máy nén 2 2. Dàn ngưng chính 2 3. Van tiết lưu 2 4. Dàn bay hơi 2 5. Van điện từ 2 6. Dàn ngưng phụ 2 7. Máy nén 1 8. Dàn ngưng chính 1 9. Van tiết lưu 1 10. Dàn bay hơi 1 11. Van điện từ 1 12. Dàn ngưng phụ 1 13. Quạt sơ cấp 1 14. Thiết bị sấy 15. Quạt thứ cấp 2 16. Quạt bypass 17. Cân điện tử 18. Bình chứa nước ngưng Hình 4.7. Sơ đồ nguyên lý HTS GT-01 - 11 - Hình 4.11b. Mô hình thí nghiệm HTS GT-01 Theo một số tác giả, đối với HTS BN việc dừng xả băng là cần thiết và quá trình tiến hành liên tục trong 25 phút sau đó dừng nghỉ xả băng 5 phút là hợp lý. Ở đây chúng tôi cũng tiến hành tương tự, cứ 5 phút lấy số liệu một lần và 25 phút hoạt động thì hệ thống sẽ dừng 5 phút. Sau khi máy nén dừng hoạt động số liệu được ghi lại và sau đó thống kê và xử lý trên máy tính bằng chương trình Excel 2010. 4.2.2.4. Bố trí thiết bị đo và lấy số liệu: Phần này trình bày cách bố trí thiết bị đo ta, a, a cũng như đo khối lượng VSL. 4.2.2.5. Khả năng thay đổi chế độ hoạt động của HTS GT-01 Khả năng thay đổi các chế độ hoạt động của HTS GT-01 được thực hiện thông qua các chế độ bật tắt các MN, dàn NT, dàn NP của các BN 1 và BN 2 cho trong bảng 4.3 Bảng 4.3. Các chế độ vận hành HTS GT-01 TT Tên chế độ Hoạt động của các dàn trao đổi nhiệt NT2 NP2 NT1 NP1 BH2 BH1 1 A ON OFF ON OFF ON ON 2 B ON OFF ON ON_KQ ON ON 3 C ON OFF ON ON_CQ ON ON 4 D ON ON_KQ ON ON_KQ ON ON 5 E ON ON_KQ ON ON_CQ ON ON 6 F ON ON_CQ ON ON_CQ ON ON 7 G ON OFF OFF OFF ON OFF 8 H ON ON_KQ OFF OFF ON OFF 9 I ON ON_CQ OFF OFF ON OFF Ghi chú: NT1 – dàn ngưng chính 1; NT2 - dàn ngưng chính 2 ; NP1 - dàn ngưng phụ 1; NP2 - dàn ngưng phụ 2 ; BH1 - dàn bay hơi 1 ; BH2 - dàn bay hơi 2; ON_KQ - bật không dùng quạt; ON_CQ - bật dùng với quạt; ON - Bật; OFF - tắt. 4.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 4 Thông qua nghiên cứu thực nghiệm, chúng tôi rút ra 03 kết luận sau: 1. Xác định phương pháp thí nghiệm xác định độ ẩm ban đầu của VLS 2. Xây dựng mô hình thiết bị thí nghiệm HTS BN kiểu bậc thang ký hiệu HTS GT-01 phục vụ nghiên cứu thực nghiệm do luận án đề ra 3. Xây dựng các chế độ vận hành khác nhau theo hướng đảm bảo động học QTS để khảo sát khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS GT-01 - 12 - Chương 5 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 5.1. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU LT TNTC KHI KỂ ĐẾN HIỆN TƯỢNG CN VLS Hệ phương trình TNTC (3.2) được chúng tôi giải với các số liệu đầu vào đã trình bày trong chương 2 bao gồm: độ ẩm tương đối a = 25 ÷ 45%, nhiệt độ ta = 30 ÷ 45 oC, tốc độ a = 0,5 ÷ 2,5 m/s, độ ẩm tương đối ban đầu của cà rốt w0 = 80 ÷ 90% hay độ chứa ẩm M0 = 4 ÷ 9 kgâ/kgVLK. Từ TN với chiều dày cà rốt 2 =10 mm, nhiệt độ ban đầu t0 = 28 oC đã xác định được hệ số tốc độ CN trung bình tb = 9,091.10 -8 m/s và độ chứa ẩm ban đầu của cà rốt M0 = 6,331 kgâ/kgVLK (hay w0 = 86,36%). Từ kết quả giải hệ (3.2) với các số liệu tương ứng với TN, chúng tôi tiến hành NC các ảnh hưởng sau đây đến độ chứa ẩm và TGS cà rốt. 5.1.1 Ảnh hưởng của thông số TNS đến độ chứa ẩm và TGS Đồ thị hình 5.1 cho thấy, ở tốc độ 0,5 m/s các giá trị độ chứa ẩm trung bình (TB) VLS nằm ở phía trên các điểm có tốc độ TNS cao hơn trong khoảng 400 phút đầu. Qua tính toán, TGS dài nhất ở 0,5 m/s và ở 2,5 m/s là ngắn nhất. Để đạt tới độ chứa ẩm Mend = 0,105 kgâ/kgVLK lần lượt mất 975; 902,5 và 862,5 phút ở tốc độ 0,5; 1,5 và 2,5 m/s. Khi tăng từ 0,5 m/s lên 1,5 m/s TGS giảm 7,4% nhưng tiếp tục tăng thêm từ 1,5 m/s lên 2,5 m/s thì TGS chỉ giảm được 4,4%. Như vậy, cần căn cứ vào sự ảnh hưởng đến khả năng làm việc của các thiết bị trong HTS để xác định giá trị tốc độ TNS phù hợp bởi vì sẽ có giá trị tốc độ TNS mà Hình 5.1. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a = 35%; ta = 35 oC; a = 0,5÷2,5 m/s ở đó nếu tăng thêm cũng không làm thay đổi đáng kể TGS nữa. Tiếp tục khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ TNS đến độ chứa ẩm và TGS, chúng tôi cho nhiệt độ TNS thay đổi trong phạm vi từ 30 ÷ 45oC trong khi các điều kiện khác không đổi, kết quả như đồ thị hình 5.2. Sau khoảng 100 phút đầu tiên, đường cong sấy ở các nhiệt độ khác nhau đã tách ra thành 4 đường riêng biệt. Đường cong biểu diễn sự thay đổi độ ẩm chậm nhất chính là đường nằm trên cùng ứng với nhiệt độ TNS thấp nhất là 30oC, tiếp đến là đường cong biểu diễn QTS ở nhiệt độ 35oC, 40oC và đường dưới cùng ứng với 45oC. Càng về cuối quá trình, các đường cong càng có xu hướng gần vào nhau, rõ rệt nhất là từ phút thứ 600 trở đi. Kết quả tính toán cho thấy, TGS để VLS đạt độ ẩm TB cuối QTS Mend = 0,105 kgâ/kgVLK (wend = 9,5%) mất lần lượt 716,5; 805; 902,5và 1019 phút tương ứng Hình 5.2. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a = 35%; ta = 30÷45 oC; a = 1,5 m/s ở nhiệt độ TNS 45; 40; 35 và 30oC. Như vậy, có thể thấy nhiệt độ TNS có ảnh hưởng rất lớn đến QTS, sai lệch TGS lớn nhất là 42,2%. Trong khi đó, độ chứa ẩm cần bằng Me tính theo (3.22) ở 30oC và 45oC là 0,095 kgâ/kgVLK và 0,082 kgâ/kgVLK. Như vậy, sự thay đổi độ chứa ẩm cân bằng từ 30oC lên 45oC bằng (0,095-0,082)/0,095 = 13,7%. Qua tính toán, nếu độ chứa ẩm cân bằng - 13 - giảm xuống 13,7% thì TGS giảm đi 42,2%. Từ đây ta có thể nhận xét rằng nhiệt độ của TNS có ảnh hưởng rất lớn đến QTS và nhiệt độ TNS có thể chọn càng cao càng tốt trong khoảng từ 30oC đến 45oC. Tất nhiên khi lựa chọn nhiệt độ TNS, chúng ta phải lưu ý đến các tính chất hóa lý của VLS, sự ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng và thành phần hóa học của VLS cũng như khả năng làm việc của BN Độ ẩm tương đối của TNS có ảnh hưởng đến TGS và độ chứa ẩm của VLS cũng được chúng tôi nghiên cứu trong phạm vi từ 25 ÷ 45% khi các điều kiện khác không thay đổi. Kết quả cho thấy tuy độ ẩm tương đối của TNS khác nhau nhưng sự thay đổi độ chứa ẩm trong toàn bộ QTS đều có chung một dạng đường cong mà không có tách biệt rõ ràng như trường hợp nhiệt độ của TNS thay đổi. Khi độ ẩm tương đối của TNS càng thấp thì TGS càng ngắn, điều này luôn đúng và kết quả tính toán cũng thể hiện được điều này. Để thấy được rõ sự khác nhau, chúng tôi biểu diễn đường cong sấy ở nửa cuối QTS trên đồ thì hình 5.4. Theo số liệu tính toán và như hình 5.4, để độ ẩm cuối đạt đến giá trị Mend = 0,105 kg/kgVLK mất 836 phút ở  = 25%, 902,5 phút ở  = 35% và mất 1192 phút với  = 25%. Kết quả này đã làm rõ được ảnh hưởng của độ ẩm TNS đến TGS trong khi nếu sử dụng MHKCN, Hình 5.4. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a = 25÷35%; ta = 35 oC; a = 1,5 m/s điều này còn chưa được chứng minh rõ ràng. 5.1.2. Ảnh hưởng của điều kiện ban đầu VLS đến độ chứa ẩm và TGS Nhằm đánh giá ảnh hưởng của điều kiện ban đầu của VLS đến sự thay đổi độ ẩm và TGS, chúng tôi cho thay đổi nhiệt độ ban đầu của VLS trong khoảng 24 ÷ 32oC; độ chứa ẩm ban đầu VLS biến thiên trong khoảng 4,09 ÷ 9,35 kgâ/kgVLK (hay w0 = 80,34÷90,34%). Các thông số của TNS giữ nguyên không đổi bao gồm ta = 35 oC, a = 35%, a = 1,5 m/s. Để tiện theo dõi và nhận xét, chúng tôi cũng biểu diễn lần lượt trên hình 5.5 sự thay đổi độ ẩm TB VLS theo thời gian ở các nhiệt độ ban đầu VLS khác nhau và hình 5.6 là thay đổi độ ẩm TB VLS theo thời gian ở các độ ẩm ban đầu khác nhau. Hình 5.5 thể hiện các đường cong sấy gần như trùng nhau, sự khác nhau chỉ thể hiện thông qua số liệu tính toán cụ thể, ở 24oC, 28oC và 32oC mất tổng TGS lần lượt là 903 phút; 902,5 phút và 901,5 phút để đạt đến độ ẩm cuối Mend = 0,105 kgâ/kgVLK. Như vậy, với khoảng nhiệt độ của cà rốt trước khi vào sấy từ 24 ÷ 32oC sẽ không làm ảnh hưởng đến QTS. Từ hình 5.6 có thể thấy được rằng nếu sấy cà rốt có các độ ẩm ban đầu khác nhau ở trong cùng không có sự khác nhau. Để đạt tới độ ẩm cuối QTS Hình 5.5. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a=35%; ta=35 oC; a =1,5m/s và t0 = 28÷32 oC Hình 5.6. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a=35%;ta=35 oC;a=1,5m/s và w0= 80,3÷90,3% một điều kiện của TNS thì diễn biến của QTS là Mend = 0,105 kgâ/kgVLK với độ ẩm ban đầu - 14 - 80,34% mất TGS là 860 phút trong khi ở 86,34% và 90,34% mất lần lượt là 902,5 và 938 phút. Như vậy, sự chênh lệch về TGS ứng với các giá trị độ ẩm ban đầu của cà rốt sấy là không quá lớn, cụ thể như sự chênh lệch lớn nhất về TGS là 78 phút bằng 9,1%. 5.1.3. Lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS Sau khi giải hệ phương trình TNTC (3.2), lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS được chúng tôi tính theo biểu thức (3.57) như trong chương 3 đã trình bày. Kết quả tổng hợp được trình bày trong bảng 5.1 đối với tất cả các trường hợp khác nhau của thông số TNS (ta, a, a) cũng như điều kiện ban đầu (t0, w0) khác nhau củaVLS. Bảng 5.1. Tổng hợp lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS Nhiệt độ TNS ta oC 30 35 40 45 Lượng nhiệt VLS hấp thụ q kJ/m 2 271,3 383,5 492,3 602,9 TGS  phút 1019 902,5 805 716,5 Độ ẩm tương đối TNS a % 25 35 45 - Lượng nhiệt VLS hấp thụ q kJ/m 2 383,8 383,5 383,1 - TGS  phút 836 902,5 1192 - Tốc độ TNS a m/s 0,5 1,5 2,5 - Lượng nhiệt VLS hấp thụ q kJ/m 2 471,2 383,5 295,7 - TGS  phút 975 902,5 862,5 - Nhiệt độ ban đầu VLS tTB oC 24 28 32 - Lượng nhiệt VLS hấp thụ q kJ/m 2 493,8 383,5 296,1 - TGS  phút 903 902,5 901,5 - Độ ẩm tương đối TB VLS w % 80,34 86,34 90,34 - Lượng nhiệt VLS hấp thụ q kJ/m 2 1171,2 1505,1 1947,2 - TGS  phút 860 902,5 938 - Từ bảng 5.1 chúng tôi nhận thấy khi độ ẩm của TNS thay đổi, lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS thay đổi rất ít. Và tương tự như khi nhận xét ảnh hưởng của nhiệt độ TNS đến TGS ở trên, khi cho nhiệt độ TNS tăng lên, lượng nhiệt VLS hấp thụ cũng tăng theo và TGS sẽ giảm xuống. Do đó nên lựa chọn nhiệt độ TNS càng cao càng tốt trong phạm vi 30÷45oC, độ ẩm tương đối cũng như tốc độ của TNS cần dựa trên các điều kiện phù hợp với phạm vi làm việc của HTS. Điều đó cũng đảm bảo cung cấp nhiệt cho VLS nhanh nhất theo tính toán lượng nhiệt VLS hấp thụ. Mặt khác khi xem xét lượng nhiệt VLS hấp thụ ở các điều kiện ban đầu khác nhau của VLS chúng tôi thấy sự khác nhau rõ ràng. Nếu nhiệt độ ban đầu của VLS tăng lên thì lượng nhiệt VLS hấp thụ sẽ giảm đi và ngược lại khi độ ẩm ban đầu của VLS tăng lên thì lượng nhiệt do VLS hấp thụ cũng sẽ tăng lên theo. Điều đó phản ánh đúng thực tế do sự chênh lệch nhiệt độ giữa VLS và TNS càng lớn thì lượng nhiệt cung cấp cho VLS càng nhiều để tiệm cận nhiệt độ của VLS. Bên cạnh đó nếu độ ẩm ban đầu của VLS tăng lên thì lượng nhiệt cung cấp cho VLS cần nhiều hơn. Tóm lại, dựa trên kết quả NC sự ảnh hưởng của các thông số TNS và điều kiện ban đầu của VLS đến TGS và QTS, chúng tôi lựa chọn các thông số để NC động học QTS như sau: TNS có a = 35%, ta = 35 oC, a = 1,5 m/s, VLS có t0 = 28 oC, w0 = 86,4% hay độ chứa ẩm ban đầu M0 = 6,33 kgâ/kgVLK. Kết quả nghiên cứu động học QTS sẽ được trình bày trong mục tiếp theo - 15 - 5.1.4. Động học QTS 5.1.4.1. Đường cong sấy Từ đồ thị hình 5.7 chúng tôi thấy rằng không tồn tại giai đoạn tốc độ sấy không đổi khi sấy cà rốt trong điều kiện NC. Toàn bộ QTS nằm trong giai đoạn tốc độ sấy giảm dần, điều này cũng phù hợp với nhận xét của một số công trình đã công bố trong và ngoài nước. Đối với mô hình toán học (3.2) đã trình bày ở chương 3, kết quả tính toán đã phản ánh được diễn biến QTS theo lý thuyết cơ sở của kỹ thuật sấy chứng tỏ MHCN đã đáp ứng được yêu cầu để nghiên cứu LT. 5.1.4.2 Đường cong nhiệt độ sấy Đặc trưng cho tính chất keo xốp mao dẫn và đặc biệt là ở giai đoạn tốc độ sấy giảm dần, nhiệt độ tại tâm tc có xu hướng tiến đến gần nhiệt độ tại bề mặt, điều này cũng giống như nhận xét trong một số tài liệu đã công bố. Mặt khác, trên đồ thị hình 5.8 xuất hiện khoảng thời gian đầu tiên có sự giảm nhiệt độ ở cả tâm và bề mặt của VLS nhưng thời gian này rất ngắn và sau đó cả bề mặt và tâm VLS đều tăng nhiệt độ. Theo phân tích sự thay đổi nhiệt độ trong QTS, việc tăng nhiệt độ ở cả tâm và bề mặt VLS chứng tỏ sự bắt đầu của giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Để xác định rõ thời điểm bắt đầu giai đoạn tốc độ sấy giảm dần, chúng tôi biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ tại tâm tc và thay đổi nhiệt độ tại bề mặt ts của VLS theo thời gian ở 5 phút đầu tiên của QTS như trên hình 5.9. Trên hình 5.9 đã thể hiện giai đoạn tốc độ sấy giảm dần bắt đầu ở phút thứ 2,5 trở đi (khi nhiệt độ ở tâm tc và nhiệt độ bề mặt ts cùng tăng). Để NC toàn bộ sự thay đổi nhiệt độ của VLS theo thời gian, chúng tôi biểu diễn đường thay đổi nhiệt độ tại tâm tc, tại bề mặt ts và nhiệt độ TB VLS trên cùng một đồ thị hình 5.10. Từ kết quả tính toán và hình 5.10 cho thấy, trong khoảng 50 phút đầu, nhiệt độ của VLS tăng nhanh và sau đó tăng chậm dần, nhiệt độ tại bề mặt lúc này là 33,9oC trong khi tại tâm là 33,7oC, nhiệt độ TB VLS là 33,8oC. Nếu tổng TGS là 902,5 phút để độ ẩm đạt đến giá trị Mend = 0,105 kgâ/kgVLK (hay wend = 9,5%) thì quá trình chỉ mất có 50 phút để nhiệt độ của VLS tăng lên 5,9oC nhưng còn lại 855,5 phút (chiếm 94,47% tổng TGS) để nhiệt độ VLS tăng lên thêm khoảng Hình 5.7. Đường cong sấy của cà rốt ở chế độ a=35%; ta=35 oC; a =1,5 m/s Hình 5.8. Đường cong nhiệt độ sấy của cà rốt ở chế độ 35oC;1,5 m/s;35% Hình 5.9. Đường cong nhiệt độ sấy của cà rốt ở chế độ 35oC;1,5 m/s;35% trong 5 phút đầu . Hình 5.10. Thay đổi nhiệt độ tại tâm tc, bề mặt ts và nhiệt độ TB của cà rốt ttb theo thời gian ở chế độ 35oC;1,5m/s;35% tc ts tc tc ts ts ttb - 16 - 1,2oC. Như vậy, lượng nhiệt từ TNS truyền vào VLS chỉ để làm biến lỏng trong VLS thành hơi mà hầu như không làm thay đổi nhiệt độ của VLS. Hình dạng đường thay đổi nhiệt độ ở đây đã phản ánh giống như đường biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ trong QTS như trong các tài liệu về KTS. 5.1.4.3 Đường cong tốc độ sấy Hình 5.11 thể hiện rõ rằng đường cong tốc độ sấy cũng chỉ xác định một chế độ tốc độ sấy giảm dần mà không tồn tại giai đoạn tốc độ sấy không đổi và giai đoạn đốt nóng. Trên đồ thị có tồn tại một điểm uốn, đây chính là điểm tới hạn thứ 2 theo cách gọi của một số tác giả. Đường cong này cũng có cùng với đặc tính của đường cong đặc trưng cho vật liệu ẩm có cấu trúc dạng keo xốp mao dẫn phổ biến như các loại nông sản Hình 5.11. Đường cong tốc độ sấy của cà rốt ở chế độ a=35%; ta=35 oC; a =1,5 m/s 5.1.4.4. Lượng nhiệt VLS hấp thụ Nghiên cứu lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS có thể giúp chúng tôi hiểu được quá trình trao đổi nhiệt giữa TNS và VLS cũng như cung cấp thêm thông tin để đưa ra giải pháp trong quá trình vận hành HTS sao cho có lợi nhất về mặt năng lượng. Chúng tôi biểu diễn kết quả tính toán lượng nhiệt VLS hấp thụ theo biểu thức (3.57) trên đồ thị hình 5.12, hình 5.13 Hình 5.12. Lượng nhiệt VLS hấp thụ theo thời gian ở chế độ ta = 35 oC; a = 1,5 m/s;a = 35%. Hình 5.13. Tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ theo thời gian ở chế độ ta = 35 oC; a = 1,5 m/s;a = 35%. Từ hình 5.12 cho thấy trong thời gian đầu QTS, khoảng 50 phút đầu tiên lượng nhiệt VLS hấp thụ ứng với từng bước thời gian  tăng rất nhanh. Ví dụ như trong khoảng  từ phút thứ 1 đến phút thứ 1,5 lượng nhiệt VLS nhận được là 3,056 kJ/m2. Sau đó lượng nhiệt VLS hấp thụ trong các bước  tiếp theo có xu hướng giảm dần, như ở phút 12 đến 12,5 VLS chỉ còn nhận được 2,737 kJ/m2 hay ở phút thứ 24,5 đến 25 là 1,657 kJ/m2. Ta thấy, nếu TGS càng tăng thì lượng nhiệt VLS hấp thụ trong bước  càng giảm. Ở cuối QTS, do lúc này sự chênh lệch nhiệt độ giữa VLS và TNS còn rất nhỏ nên lượng nhiệt VLS nhận được cũng giảm đi và tiến dần đến 0. Như vậy, trong khoảng 100 phút đầu của QTS, lượng nhiệt VLS hấp thụ trong mỗi bước  có sự thay đổi đáng kể. Tuy nhiên, trên hình 5.13 thể hiện rằng tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ đến phút 100 là 228,1 kJ/m2 trong khi toàn bộ QTS cần 383,5 kJ/m2, như vậy sau 100 phút giá trị này đã đạt 59,5%. Mặt khác, tổng TGS theo tính toán là 902,5 phút để độ chứa ẩm TB VLS giảm từ M0 = 6,331 kgâ/kgVLK xuống còn Mend = 0,105 kgâ/kgVLK nhưng sau 100 phút độ chứa ẩm mới giảm xuống 3,546 kgâ/kgVLK chiếm 56,9% trên tổng lượng ẩm cần giảm xuống. Ở đây có sự tương đồng về tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ so với sự giảm độ chứa ẩm TB VLS. Bên cạnh đó, TGS mới chỉ mất 100 phút chiếm 11,1% trong tổng số 902,5 phút để hoàn thành QTS. Điều đó có nghĩa là mất gần 90% tổng TGS để tách đi hơn 40% độ ẩm còn lại trong VLS. Qua nghiên cứu về lượng nhiệt VLS hấp thụ chúng tôi thấy tồn tại vấn đề cần giải quyết đó là - 17 - do lượng nhiệt VLS hấp thụ giảm dần theo thời gian nhưng rất cần tập trung ở giai đoạn đầu QTS. Vì vậy, cần có biện pháp tăng cường cấp nhiệt cho VLS trong giai đoạn này. Cùng với đó, chúng ta cũng phải có biện pháp giảm dần sự cấp nhiệt cho VLS ở giai đoạn sau, nhất là ở cuối QTS. Đối với HTS BN vấn đề này rất quan trọng khi sử dụng sấy mẻ tuần hoàn kín và ở nhiệt độ TNS cao hơn nhiệt độ môi trường. Do đó, ở phần tiếp theo chúng tôi đề xuất một phương án vận hành HTS BN kiểu bậc thang để giải lượng nhiệt thừa ra khỏi hệ thống một cách có lợi về mặt năng lượng. 5.2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM 5.2.1 Xác định các thông số của VLS và TNS để tính lý thuyết theo giá trị TN Qua 9 TN từ A đến I, chúng tôi lựa chọn TN hoạt động theo chế độ C để làm các thông số cơ sở cho tính toán lý thuyết. Hệ phương trình TNTC (3.2) ở các trường hợp có kể đến CN VLS và không xét đến CN VLS sẽ được tính với các giá trị theo TN ở chế độ C như sau: 1. Vật liệu sấy: Chiều dày 20 = 10mm; đường kính L = 50mm; Độ chứa ẩm ban đầu TB VLS M0 = 6,33 kgâ/kgVLK hay w0 = 86,4%; Độ chứa ẩm cuối TB VLS Mend =0,136 kgâ/kgVLK ứng với wend = 12% (theo một số tài liệu, giá trị độ ẩm bảo quản của cà rốt sấy là  12% nên ở đây chúng tôi chọn giá trị cuối của QTS là 12%); Độ chứa ẩm cân bằng VLS Me = 0,1 kgâ/kgVLK tương đương we= 9,1% ; Nhiệt độ ban đầu của VLS t0 = 28 oC; chiều dày kết thúc QTS (trạng thái cân bằng) 2e = 4 mm; tốc độ CN VLS tb=9,091.10 -8 m/s. Tổng thời gian sấy là 550 phút để đạt đến trạng thái cân bằng (we= 9,1%) và mất 535 phút để độ ẩm cà rốt sấy đạt wend = 12%. 2. Tác nhân sấy: nhiệt độ ta = 43,9 oC; tốc độ a = 1,5 m/s và độ ẩm a = 46,5% Dựa vào các thông số trên, chúng tôi giải hệ phương trinh TNTC (3.2) bằng phương pháp SPHH, tiến hành tính toán với MHKCN khi tốc độ CN tb = 0 và MHCN khi tb=9,091.10 -8 m/s. 5.2.2. Đánh giá độ chính xác của MHCN so với TN 5.2.2.1. Đánh giá theo sự thay đổi độ ẩm tương đối VLS Kết quả giải hệ phương trình TNTC (3.2) với các điều kiện đơn trị tương ứng với MHCN và MHKCN được chúng tôi sử dụng để đánh giá mức độ phù hợp với số liệu từ NC TN. Số liệu tính toán lý thuyết và số liệu TN biểu diễn sự thay đổi độ ẩm tương đối TB của VLS trong QTS được trình bày trong bảng 5.2. Bảng 5.2. Kết quả TN và tính toán lý thuyết độ ẩm tương đối TB VLS TGS , phút MHCN w, % MHKCN w, % TN w, % TGS , phút MHCN w, % MHKCN w, % TN w, % TGS , phút MHCN w, % MHKCN w, % TN w, % 0 86,4 86,4 86,4 300 43,8 50,2 53,4 540 14,0 23,9 10,8 25 83,2 83,2 85,0 325 39,3 46,8 48,3 545 13,7 23,5 9,9 50 80,7 80,7 83,5 350 35,1 43,6 42,7 550 13,4 23,2 9,1 75 78,1 78,2 81,5 375 31,1 40,4 37,4 575 12,0 21,5 - 100 75,3 75,6 79,3 400 27,4 37,4 32,5 600 - 19,9 - 125 72,2 72,8 76,8 425 24,1 34,5 27,8 625 - 18,6 - 150 68,9 69,9 74,2 450 21,2 31,9 22,9 650 - 17,4 - 175 65,2 66,8 71,1 475 18,7 29,4 18,8 675 - 16,3 - 200 61,3 63,6 68,5 500 16,6 27,1 15,3 700 - 15,3 - 225 57,1 60,3 65,7 525 14,8 25,0 13,3 725 - 14,5 - 250 52,7 57,0 62,1 530 14,5 24,7 12,5 750 - 13,3 - 275 48,2 53,6 57,9 535 14,3 24,3 12,2 775 - 12,0 - Sự thay đổi độ ẩm tương đối TB VLS theo thời gian từ TN, từ kết quả tính toán MHCN và MHKCN cũng được chúng tôi biểu diễn trên đồ thị hình 5.14. Từ bảng 5.2 và đồ thị hình 5.14 cho thấy kết quả tính toán giữa mô hình lý thuyết MHCN và TN đã tương đối gần nhau ở điểm cuối - 18 - trong khi mô hình MHKCN có điểm cuối rất xa trên trục thời gian. Như vậy có thể thấy rằng MHCN đã thể hiện được quá trình biến đổi độ ẩm trong VLS khá phù hợp với TN. Sự phù hợp này còn được đánh giá qua hệ số MAE = 10,5%, RMSE = 0,06 ở MHCN trong khi hệ số MAE = 18,2% và RMSE = 0,06 ở MHKCN. Khi so sánh về TGS ta thấy kết quả TN biểu thị VLS có độ ẩm tương đối TB là 12% ở phút 535 trong khi tính toán MHCN cho giá trị 12% ở phút 575 và MHKCN cho giá trị 12% sau 775 phút. Sai lệch về TGS dựa trên kết quả TN và tính toán lý thuyết lần lượt là 7,5% ở MHCN và 44,9% ở MHKCN. Qua đó, chúng tôi rút ra nhận xét rằng nếu Hình 5.14. So sánh kết quả thí nghiệm và tính toán lý thuyết với MHCN và MHKCN ở chế độ 43,90C; 46,5%; 1,5 m/s chỉ dựa vào giá trị độ ẩm wend = 12% ở các trường hợp tính toán với MHCN và MHKCN theo TN thì kết quả chưa thể hiện sự khác biệt rõ về ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS. Trong khi đó, nếu bỏ qua hiện tượng CN VLS thì TGS sẽ tăng thêm 240 phút tức là tăng thêm 44,9%. Tóm lại, đối với VLS là cà rốt dạng lát mỏng, nếu sử dụng MHKCN là không phù hợp và cần phải sử dụng MHCN trong nghiên cứu TNTC như QTS ở đây. 5.2.2.2. Đánh giá theo sự thay đổi khối lượng VLS Từ đồ thị hình 5.15 cho thấy, sự sai lệch về TGS ở MHCN và TN là không lớn, tương tự như kết luận khi NC sự thay đổi độ ẩm tương đối TB VLS theo TGS ở trên. Sai lệch về TGS để khối lượng VLS đạt đến giá trị 0,15 kgVLÂ thì mất lần lượt là 575 phút, 775 phút và 535 phút ứng với MHCN, MHKCN và TN. Sau khi đánh giá sự thay đổi khối lượng và độ ẩm tương đối của VLS theo thời gian ở MHCN và MHKCN với TN, chúng tôi thấy rằng trong trường hợp nghiên cứu TNTC của Hình 5.15. Đường cong thay đổi khối lượng VLS giữa thí nghiệm và lý thuyết ở chế độ 43,90C; 46,5%; 1,5m/s VLS dạng tấm phẳng như cà rốt dạng thái lát, nếu bỏ qua ảnh hưởng của sự CN VLS sẽ gặp sai số tương đối lớn về TGS. Và để giảm sai số về tính toán TGS, cần thiết phải xét đến hiện tượng CN VLS. 5.2.2.3. Đánh giá theo tốc độ sấy Tốc độ sấy là đại lượng biểu thị quan hệ giữa sự giảm ẩm theo thời gian và độ chứa ẩm của VLS. Sự phù hợp của MHCN và MHKCN với TN cũng được chúng tôi đánh giá thông qua tốc độ sấy hình 5.16. Đường cong tốc độ sấy trên hình 5.16 cho thấy các giá trị của MHCN đã tiến đến gần hơn với giá trị của TN trong phạm vi độ chứa ẩm M = 0,1 ÷ 4,4 kgâ/kgVLK. Tốc độ sấy của MHCN đã nằm giữa giá trị tốc độ sấy của MHKCN và TN. Đó cũng là phần lớn thời gian của QTS và nó chiếm đến hơn 85% tổng TGS. Đồ thị hình 5.16 cũng Hình 5.16. Đường cong tốc độ sấy của MHCN, MHKCN và TN ở chế độ ta = 43,9 oC; a = 46,5%; a = 1,5 m/s - 19 - không thể hiện sự có mặt của giai đoạn đốt nóng và giai đoạn tốc độ sấy không đổi. Như vậy có thể thấy sự chính xác so với kết quả TN đã được tăng lên khi sử dụng MHCN. Trên hình 5.16 cũng cho thấy có sự tồn tại của điểm tới hạn thứ hai, giá trị độ chứa ẩm ở trạng thái giới hạn này là 1,92 kgâ/kgVLK. Qua tính toán và so sánh kết quả giải hệ phương trình TNTC (3.2) cho chúng tôi thấy rằng nếu sử dụng MHCN, độ chính xác so với TN đã tăng lên so với MHKCN. Về mặt TGS, MHCN đã cho kết quả tương đối gần với TGS từ TN, sai số chỉ ở 7,5% trong khi ở MHKCN sai số này lên tới 44,9%. Mặt khác, ở NC sự thay đổi khối lượng VLS hay tốc độ sấy trong QTS đều chứng minh MHCN có độ chính xác tốt hơn so với MHKCN. Những điều đó đã thể hiện được tính hợp lý khi xét đến hiện tượng CN VLS trong giải hệ phương trình TNTC (3.2) 5.2.3. Đánh giá sự hiệu chỉnh PP xác định TGS theo LT tương tự khi kể đến CN VLS 5.2.3.1. Xác định hệ số khuếch tán ẩm theo sự CN VLS Quan hệ giữa chiều dày và độ chứa ẩm của cà rốt theo TN được chúng tôi xác định theo như đã trình bày ở mục 3.3 và kết quả thu được có dạng:  = 0,0033.M0,2212 (5.1) Từ TN ta cũng có được quan hệ giữa TGS và độ chứa ẩm không thứ nguyên theo dạng: 4 0 M ln( ) ln MR 1,2232.10 . 0.21 M      (5.2) Từ đó rút ra độ dốc k trong trường hợp này là 0,00012232 1/s. Thay k và 0, e vào (3.63) thu được D0 và De lần lượt là: 2 4 2 -9 0 2 2 k.4. 1, 2232.10 .4.0,005 D 1,23936.10 3,1415      m2/s (5.3) 2 4 2 10 e 2 2 k.4. 1, 2232.10 .4.0,002 D 1,98298.10 3,1415      m2/s (5.4) Như vậy, chúng ta đã xác định được các giá trị của hệ số khuếch tán ở trạng thái đầu D0, trạng thái cân bằng De theo TN cũng như quan hệ của kích thước cà rốt sấy theo độ chứa ẩm (5.1). Từ lập luận đã nêu và sử dụng biểu thức (3.64), giá trị hệ số Dend ở độ chứa ẩm cuối của cà rốt Mend = 0,139 kgâ/kgVLK hay độ ẩm tương đối wend = 12,2 % là:   9 10 3 10 end 10 2 end 1, 23936.10 1,98298.10 D 2,178.10 0,002 1,98298.10 0,005 0,002 D 2,60698.10 m / s             (5.5) Trong đó chiều dày ở trạng thái cuối end được tính từ (5.1), ở đây coi như trong khoảng thời gian cuối của QTS từ phút thứ 525 đến phút thứ 535 sự thay đổi kích thước của chiều dày  là không đáng kể và bằng: end = 0,0033.(0,153) 0,2212 = 0,002178 m Sau khi có các giá trị hệ số khuếch tán D từ TN, thay vào các biểu thức tính toán TGS theo phương pháp tương tự ta sẽ thu được giá trị cần tìm. 5.2.3.2 Xác định thời gian sấy Về mặt toán học, hiện tượng trao đổi ẩm xảy ra đối với lát cà rốt trong TBS tương tự như trường hợp dẫn nhiệt qua tấm phẳng với điều kiện biên loại 3 đối xứng. Theo lý thuyết tương tự, nghiệm của trường hợp dẫn ẩm ở điều kiện biên loại 3 đối xứng có hình dạng tương tự như nghiệm của trường hợp dẫn nhiệt qua tấm phẳng điều kiện biên loại 3 đối xứng. Tỷ số giữa nhiệt lượng Q(0,) tỏa ra từ thời điểm 0 và nhiệt lượng Q(0,) tỏa ra từ thời điểm đầu đến vô cùng 0 có dạng:            1n 1)]Bi(Bi 2 n [μ2 n μ Fo)2 n μexp( 2Bi21* T θ1 0, Q τ0, Q (5.6) Theo lý thuyết tương tự đã trình bày trong mục 1.3.3.3 ta có: - 20 -                  1n 1)]M (Bi M Bi2 n [μ2 n μ ) M Fo2 n μexp( 2 M Bi21 M 0 M MM 1MR1 ),0( M ),0( M 0, Q τ0, Q e e (5.7) Trong đó MR là độ chứa ẩm không thứ nguyên :          1n 1)] M (Bi M Bi2 n [μ2 n μ ) M Fo2 n μexp( 2 M Bi2 M 0 M MM MR e e (5.8) và D L. Bi M M   , hệ số trao đổi chất trung bình M, m/s được tính theo (3.37), giống như xác định hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trung bình , W/m2K đã trình bày trong chương 3. Kết quả tính toán các đại lượng cho trong bảng 5.6 Bảng 5.6. Kết quả tính toán các đại lượng TT Đại lượng Ký hiệu Biểu thức tính Kết quả 1 Hệ số nhớt động lực TNS , kg/m.s 1,767676.10-13.t3-5,5411255.10-11.t2 + 4,983297.10-8.t+17,196428.10-6 1,88.10-5 2 Khối lượng riêng TNS , kg/m3 -3,510101.10-8.t3+1,583983.10-5.t2 - 4,699520.10-3.t+1,292136 1,15 3 Hệ số nhớt động học TNS , m2/s   1,64.10-5 4 Hệ số khuếch tán ẩm trong không khí Dâ, m 2/s   072,210â t273.10.87,1D   2,66.10 -5 5 Tiêu chuẩn Reynold Re    L. Re 4573,17 6 Tiêu chuẩn Schmidt Sc âD Sc   0,6165 7 Hệ số trao đổi chất M L D ScRe664,0 â33,05,0 M  0,0204 8 Tiêu chuẩn Bio truyền chất BiM 0 M M D L. Bi   821559,14 khi tiêu chuẩn Bi  (Bi > 100) thì (5.8) trở thành:                         1n Fo2 2 2 1n2 exp 2)1n2(2 8 M 0 M MM MR M e e (5.9) Như vậy thì với trường hợp BiM rất lớn, việc xác định FoM trở nên khá đơn giản. Với những dữ liệu đã biết, TGS sẽ xác định được khi tìm được FoM, ở đây để đảm bảo chính xác cho tính toán khi tính FoM, lấy 3 giá trị đầu tiên của (5.9) tương ứng n =1, 2, 3. Ta có độ chứa ẩm không thứ nguyên MR bằng: 0,00626 1,0330,6 1,0139,0 M 0 M MM MR e e        (5.10) Thay MR vào (5.9) ta được FoM = 1,97113. Từ giá trị FoM vừa tìm được sẽ xác định được TGS. Để có cơ sở để đối chiếu và khẳng định sự phù hợp của kết quả xác định TGS theo phương pháp tương tự với TN, chúng tôi tiến hành so với phương pháp giải hệ phương trình TNTC (3.2) như đã trình bày trong phần trước và bảng 5.2. Kết quả so sánh được tổng hợp trong bảng 5.8. - 21 - Bảng 5.8. Tổng hợp kết quả xác định TGS Đại lượng TN PP tương tự PP giải hệ phương trình TNTC Không CN VLS Có CN VLS Không CN VLS Có CN VLS Độ ẩm tương đối VLS ở cuối QTS, % 12 12 12 12 12 Thời gian sấy, phút 535 662,7 598,8 775 575 Sai số so với TN, % 0 23,9 11,9 44,9 7,5 Từ bảng so sánh kết quả 5.8 có thể thấy rằng nếu không xét đến sự CN VLS thì PP tương tự xác định TGS có sai số so với TN là 23,9% trong khi PP giải hệ phương trình TNTC là 44,9%. Mặt khác, nếu xét ảnh hưởng của sự CN VLS đến QTS thì độ chính xác so với TN đã tăng lên đáng kể ở cả 2 PP. Cụ thể ở PP tương tự sai số so với TN giảm còn 11,9% trong khi phương pháp giải hệ phương trình TNTC là 7,5%. Như vậy, khi xét đến hiện tượng CN VLS, kết quả xác định TGS ở cả PP tương tự và PP giải hệ phương trình TNTC đều có sai số nhỏ hơn 12%, đây là kết quả rất đáng quan tâm và cho thấy sự cần thiết của việc xét đến ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS khi tính toán QTS. Mặt khác, phương pháp tương tự xác định TGS cho kết quả nhanh hơn và đơn giản hơn phương pháp giải hệ phương trình TNTC với sai số chấp nhận được khi so với TN. Điều này rất có ý nghĩa trong việc khẳng định sự phù hợp của phương pháp tương tự xác định TGS khi so với TN. 5.2.4. Thí nghiệm kiểm chứng khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS GT-01 Kết quả TN khi vận hành HTS GT-01 theo bảng 4.3 được chúng tôi thu thập, xử lý, tính toán và cho trong bảng 5.10 Bảng 5.10. Tổng hợp kết quả thí nghiệm và tính toán từ các chế độ sấy A-I Các đại lượng trung bình Chế độ thí nghiệm A B C D E F G H I Độ chứa ẩm đầu M0, kg/kgVLK 6.30 6.35 6.35 6.19 6.19 6.30 6.25 6.30 6.30 Độ chứa ẩm cân bằng Me, kgâ/kgVLK 0.11 0.11 0.10 0.09 0.09 0.11 0.11 0.10 0,11 Khối lượng VLSđầu G0, kgVLÂ 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 1.00 Khối lượng VLS cân bằng Ge, kgVLÂ 0.152 0.150 0.150 0.151 0.151 0.152 0.153 0.151 0.152 Khối lượng VLK Gk, kgVLK 0.137 0.136 0.136 0.139 0.139 0.137 0.138 0.137 0.137 Nhiệt độ TNS ta oC 46.2 48.8 43.9 50.8 49.0 40,7 42,78 49.6 39,9 Độ ẩm TNS a % 58.5 52.8 46.5 42.4 39.5 48,6 55.3 50,5 52,5 Thời gian sấy , phút 500 450 550 475 425 450 600 565 700 Lượng tách ẩm riêng SMER, kgâ/kWh 0.061 0.064 0.061 0.061 0.065 0.068 0.054 0.056 0.060 Đánh giá về mặt tiết kiệm năng lượng khi sử dụng HTS BN kiểu bậc thang như đã trình bày trong chương 4, chúng tôi lựa chọn các chế độ hoạt động giống nhau của HTS GT-01 để so sánh ở bảng 4.3 và 5.10. Với chế độ A và G, khi chạy cả 2 MN để TNS thay đổi theo bậc thì hệ số SMER của A là 0,061 kgâ/kWh và khi không chạy HTS theo bậc ở chế độ G có SMER bằng 0,054 kgâ/kWh. Hệ số SMER của chế độ A tăng lên so với chế độ G là 0,007 kgâ/kWh tức là khả năng tiết kiệm năng lượng đã tăng lên được 13% khi sử dụng chế độ sấy A để tách khoảng 0,85 kg ẩm ra khỏi VLS là cà rốt. Tuy nhiên, TGS ở chế độ sấy A nhỏ hơn TGS ở chế độ sấy G là 100 phút tương đương giảm được 16,7% TGS khi so với chế độ G. So sánh tiếp chế độ hoạt động D (chạy cả 2 MN và mở 2 NP) với chế độ H (chạy 1 MN và mở NP). Kết quả cho thấy chế độ D và H có SMER lần lượng bằng 0,061kgâ/kWh và 0,056 kgâ/kWh. Như vậy, ta đã tiết kiệm được 8,9% năng lượng nếu sử dụng chế độ hoạt động để TNS thay đổi nhiệt độ theo bậc. TGS ở chế độ D cũng giảm đáng kể so với chế độ H. Từ bảng 5.10 cho biết, HTS làm việc ở chế độ D, TGS giảm được 90 phút hay - 22 - 15,9% so với chế độ H. Đối với chế độ hoạt động F (tất cả MN và NP đều làm việc) và chế độ I (MN1 và NP1 cùng hoạt động) cho thấy TGS ở chế độ F nhỏ hơn chế độ I là 250 phút (bằng 35,7%). Hệ số SMER của chế độ F cũng cao hơn của chế độ I là 0,008 kgâ/kWh hay giảm tiêu hao năng lượng được 13,3%. Tóm lại, thông qua nghiên cứu 9 chế độ TN chúng tôi đã chứng minh được khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS BN kiểu bậc thang. Mặt khác, qua NC về lượng nhiệt hấp thụ của VLS trong mục 5.1.3.4 và các chế độ TN khác nhau chúng tôi đề xuất một phương án vận hành HTS GT-01 như sau: Trong 1 chu kỳ (50 phút), đầu tiên vận hành HTS GT-01 ở chế độ A (bảng 4.3) sao cho nhiệt độ của TNS tăng dần ứng với thời điểm nhiệt lượng VLS hấp thụ là cực đại sau đó dần dần thải nhiệt ra khỏi hệ thống (với các phương án vận hành các dàn trao đổi nhiệt từ B đến I như đã nêu ở bảng 4.3). Kết thúc 1 chu kỳ , HTS sẽ ngừng hoạt động để xả băng. Đây là phương án vận hành HTS GT-01 do chúng tôi kiến nghị nhằm đáp ứng khả năng thải nhiệt ra khỏi HTS một cách hợp lý. Sau đây chúng tôi trình bày kết quả NC TN theo phương án này. 5.2.5. Thực nghiệm đánh giá khả năng tiết kiệm NL theo phương án do chúng tôi đề xuất VLS được sử dụng để NC đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS GT-01 ở đây tương tự như các TN trên, đó là cà rốt lát mỏng 10mm. Để đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS GT-01 theo hướng đáp ứng động học QTS, chúng tôi đã tổ chức 02 chế độ TN (mỗi chế độ thực hiện 3 lần) với cùng 1 khối lượng VLS ban đầu và cùng lượng ẩm tách ra khỏi VLS. Trong chế độ thí nghiệm 1 (TN1), HTS vận hành ở chế độ F tức cả 2 dàn BH, 2 dàn NT chính và 2 dàn NP cùng hoạt động, cứ 25 phút nghỉ 5 phút để xả băng. Đây cũng là TN ở chế độ F đã được giới thiệu ở trên. Cách vận hành này được coi là sấy (cấp nhiệt) liên tục, đây cũng được hiểu là TN ở chế độ sấy phổ biến. Trong chế độ thí nghiệm 2 (TN2) thí nghiệm kiểm chứng khả năng tiết kiệm NL do chúng tôi kiến nghị là cứ trong một chu kỳ 50 phút, HTS lần lượt hoạt động ở các chế độ A đến I (bảng 4.3), mỗi chế độ 5 phút, chạy hết các chế độ sẽ mất 45 phút và nghỉ 5 phút dừng máy để xả băng. Mục đích của TN2 là cấp nhiệt cho VLS một cách nhanh nhất, sau đó giảm dần lượng nhiệt này bằng cách thải ra ngoài môi trường từ từ thông qua các dàn NP. Kết quả tổng hợp được cho ở bảng 5.11 Bảng 5.11. Kết quả thí nghiệm đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng Đại lượng TN1 TN2 Khối lượng VLS ban đầu G0, kgVLÂ 1 1 Khối lượng VLS cân bằng Ge, kgVLÂ 0,152 0,153 Độ chứa ẩm ban đầu M0, kg/kgVLK 6,30 6,30 Độ chứa ẩm cân bằng Me, kg/kgVLK 0,11 0,11 Nhiệt độ TB TNS ta oC 40,7 44,4 Độ ẩm tương đối TB TNS a, % 48,6 55,7 Tốc độ TB TNS a, m/s 1,5 1,5 Thời gian sấy, phút 450 475 Lương tách ẩm riêng SMER TB, kgâ/kWh 0,068 0,081 Độ tăng SMER, % so với TN1 - 19,1% Độ tăng TGS, % so với TN1 - 5,6% Kết quả TN cho thấy, với TN2, khả năng tiết kiệm năng lượng theo phương án sấy do chúng tôi đề xuất so với phương án sấy thông thường TN1 đạt tới 19,1% trong khi TGS chỉ tăng lên 5,6%. Về mặt TGS, kết quả này cũng phù hợp với nhận xét trong mục 5.1.1 khi đánh giá ảnh hưởng của độ ẩm TNS đến TGS, cụ thể ở TN2 độ ẩm TNS đã tăng lên hơn so với TN1 là khoảng 14,6% và do đó TGS cũng tăng lên và bằng 5,6%. - 23 - 5.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 5 Qua nghiên cứu động học QTS bằng lý thuyết và thực nghiệm chúng tôi rút ra một số kết luận sau: 1. Ảnh hưởng của thông số nhiệt độ TNS đến QTS rất rõ ràng, trong phạm vi từ 30oC đến 45oC, nhiệt độ của TNS càng cao càng có lợi cho QTS cà rốt và nên chọn nhiệt độ 45oC để giảm TGS mà vẫn đảm bảo được độ ẩm cuối QTS và chất lượng. 2. Nhiệt độ của VLS trước khi sấy, cụ thể là cà rốt trong khoảng từ 24oC đến 32oC không ảnh hưởng nhiều đến TGS cũng như QTS, các giá trị nhiệt độ ban đầu này phụ thuộc vào điều kiện sơ chế, bảo quản trước khi đưa vào BS nên nó có thể lựa chọn sao cho phù hợp với điều kiện thực tế. 3. Độ ẩm ban đầu của VLS càng cao sẽ làm tốc độ thoát ẩm càng không ổn định và là một trong những nguyên nhân gây ra sự CN biến dạng càng lớn của VLS, đó là yếu tố bất lợi cho QTS. Tuy nhiên, độ ẩm ban đầu của VLS như các loại sản phẩm nông sản hay cà rốt phụ thuộc rất nhiều vào giống cây, mùa thu hoạch và chế độ sơ chế bảo quản 4. Nhiệt độ tại bề mặt VLS như cà rốt có sự thay đổi nhanh nhất nhưng cũng chỉ diễn ra ở giai đoạn rất ngắn đầu QTS. Sau đó nhiệt độ tại bề mặt và tại tâm sẽ có xu hướng thay đổi như nhau và giảm dần sự chênh lệch theo thời gian. 5. Đường cong tốc độ sấy chỉ ra rằng đối với cà rốt có sự tồn tại của điểm tới hạn thứ hai và nó cũng chính là đặc trưng của vật liệu keo xốp mao dẫn. 6. Thực nghiệm đã chứng minh được sự phù hợp của MHCN so với MHKCN về mặt quá trình cũng như động học QTS. Kết quả thực nghiệm đã cho thấy với MHCN hệ số MAE = 10,5% trong khi MHKCN hệ số MAE = 18,2%. Trong cả hai trường hợp hệ số RMSE so với thực nghiệm đều bằng 6% 7. Độ chính xác của phương pháp xác định TGS theo lý thuyết tương tự đã được cải thiện nhờ phương án đưa ảnh hưởng của CN VLS theo độ chứa ẩm vào tính toán. Đối với cà rốt cho kết quả sai số giảm từ 23,9% xuống còn 11,9% khi so với TN. 8. Năng lượng tiêu tốn cho HTS đã giảm đi khi sử dụng HTS BN kiểu bậc thang so với khi HTS hoạt động không theo bậc lớn nhất bằng 13,3% và TGS giảm đi nhiều nhất là hơn 39%. 9. Phương án vận hành chạy máy do chúng tôi kiến nghị theo chu kỳ lần lượt từ A đến I đã đảm bảo tiết kiệm được năng lượng khoảng 19,1% so với trường hợp cấp nhiệt liên tục. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ KẾT LUẬN 1. Dựa trên việc khảo cứu, phân tích những yếu tố ảnh hưởng đến hiện tượng TNTC trong QTS, chúng tôi đã lựa chọn được mô hình toán học mô tả hiện tượng TNTC khi kể đến ảnh hưởng của độ ẩm đến trường nhiệt độ và hiện tượng CN VLS với giả thiết sự CN VLS có dạng tuyến tính và thể hiện thông qua hệ số tốc độ CN trung bình ωtb. 2. Lựa chọn được phạm vi làm việc phù hợp của các thông số TNS khi sấy cà rốt bằng BN cũng như phương pháp chần cà rốt đề đảm bảo được chất lượng cảm quan, hàm lượng β- carotene và màu sắc mùi vị của sản phẩm. Chúng bao gồm: ta= 30 ÷ 45 oC, a = 25 ÷ 45%, a: 0,5 ÷ 2,5 m/s. 3. MHCN được giải bằng phương pháp SPHH đã cho kết quả khá phù hợp với TN. Sự phù hợp của mô hình đã mở ra khả năng nghiên cứu hiện tượng TNTC một cách tổng quát và thực tế hơn. Hệ số đánh giá sự phù hợp của MHCN và MHKCN so với thực nghiệm tương ứng MAE =10,5% và 18,2%. Sai lệch về TGS tương ứng là 7,5% và 44,9%. 4. Dựa vào kết quả nghiên cứu lý thuyết bằng cách giải MHCN ứng với phạm vi thông số TNS và VLS đã lựa chọn, chúng tôi rút ra một số nhận xét về sự ảnh hưởng của các yếu tố liên quan đến động học QTS vật liệu là lát cà rốt dạng tấm phẳng bao gồm: Nhiệt độ TNS ảnh - 24 - hưởng đến QTS rất rõ ràng trong phạm vi 30÷45oC, giá trị này nên lấy cao nhất sẽ có lợi về TGS; Độ ẩm TNS khi thay đổi từ 25% đến 45% sẽ cho chênh lệch TGS là 29,9%. Như vậy nên chọn độ ẩm TNS càng thấp càng tốt nhưng cần lưu ý đến vấn đề chất lượng sản phẩm do độ khô hao diễn ra nhanh dễ gây co ngót biến dạng lớn. Tốc độ của TNS khi thay đổi từ 0,5÷2,5 m/s sẽ cho chênh lệch về TGS 11,5%, giá trị này khi tăng lên sẽ kéo theo các yểu tố về công nghệ nên cần lựa chọn phù hợp. Ngoài ra khi đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố ban đầu của VLS đến QTS, chúng tôi cũng thấy rằng độ ẩm ban đầu của VLS có ảnh hưởng lớn hơn rất nhiều so với nhiệt độ ban đầu nhưng các giá trị này hoàn toàn phụ thuộc vào các điều kiện khách quan như mùa thu hoạch, điều kiện sơ chếnên khó lựa chọn được tối ưu. 5. Việc xác định TGS theo lý thuyết tương tự dù đã được ứng dụng trong nhiều công trình NC nhưng vẫn còn hạn chế nếu bỏ qua ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS. Bằng cách xác định lại hệ số khuếch tán hiệu quả D theo sự CN VLS chúng tôi đã làm tăng sự chính xác của PP này. Theo tính toán, nếu độ chứa ẩm cuối của VLS là Mend = 0,139 kgâ/kgVLK thì sai số TGS so với TN của phương pháp tương tự khi không kể đến CN là 23,9% trong khi sai số giảm xuống 11,9% nếu áp dụng biện pháp hiệu chỉnh có kể đến CN VLS. 6. Chúng tôi đã chế tạo HTS BN kiểu bậc thang HTS GT-01 hoạt động theo nguyên lý của Lorenz để phục vụ thí nghiệm và đánh giá khả năng tiết kiệm năng lượng của hệ thống này. 7. Kết quả TN đã chứng minh có 13,3% năng lượng đã tiết kiệm được ở HTS BN kiểu bậc thang so với HTS BN hoạt động độc lập trong HTS GT-01 và TGS giảm đi hơn 39%. Mặt khác chúng tôi đã đề xuất một phương pháp sấy trên HTS GT-01 để tiết kiệm năng lượng là vận hành theo nguyên tắc cấp nhiệt nhanh sau đó giảm dần và thải nhiệt ra ngoài từ từ theo các chế độ từ A-I. Theo đó năng lượng tiết kiệm được khoảng 19,1% so với trường hợp HTS chạy một chế độ F cấp và thải nhiệt ổn định. NHỮNG ĐÓNG GÓP MỚI CỦA LUẬN ÁN 1. Lựa chọn được mô hình toán học nghiên cứu TNTC khi kể đến hiện tượng CN VLS và ảnh hưởng của độ ẩm đến trường nhiệt độ phù hợp với sấy bơm nhiệt. 2. Hiệu chỉnh cách tính TGS theo lý thuyết tương tự khi xét đến ảnh hưởng của hiện tượng CN VLS cho tấm phẳng. 3. Đánh giá được khả năng tiết kiệm năng lượng của HTS BN kiểu bậc thang hoạt động trên HTS GT-01. KIẾN NGHỊ Qua nội dung NC của luận án, chúng tôi thấy cần tiếp tục NC sâu hơn trong một số vấn đề sau: 1. Nghiên cứu mô hình có đầy đủ ảnh hưởng qua lại giữa hiện tượng khuếch tán và dẫn nhiệt. 2. Xem xét bổ sung và hiệu chỉnh hệ số tốc độ CN theo hướng phức tạp hơn như dạng phi tuyến đối với trường hợp VLS có hiện tượng cong vênh, hình dáng bị thay đổi. 3. Nghiên cứu kiểm định sự phù hợp của phương pháp hiệu chỉnh cách tính TGS theo lý thuyết tương tự trong các đối tượng có hình dạng phức tạp hơn như hình trụ, hình cầu 4. Nghiên cứu, kiểm định và đánh giá phương pháp vận hành HTS GT-01 do chúng tôi kiến nghị cho một số VLS khác và ở các điều kiện phù hợp hơn với thực tế sản xuất để khẳng định tiếp tính ưu việt của phương pháp này. 5. Nghiên cứu cải thiện và tìm cách tăng động lực của QTS bằng cách kết hợp phương pháp sấy vi sóng hoặc hồng ngoại để tăng khả năng tách ẩm của VLS ở nửa cuối QTS, phân HTS ra thành nhiều TBS để tận dụng nhiệt thải ra ở HTS BN từ dàn NP, tổ chức sấy liên tục... DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN [1]. Trương Minh Thắng (2009). Tiết kiệm năng lượng nhờ chu trình bậc thang và/hoặc hỗn hợp không đồng sôi tiệm cận chu trình Lorenz trong kỹ thuật sấy bơm nhiệt. Tạp chí Năng lượng nhiệt, số 89 tháng 9/ 2009, trang16-18 [2]. Nguyễn Đức Lợi, Trương Minh Thắng (2011), Xác định bằng giải tích thời gian sấy nho theo phương pháp tương tự. Tạp chí Năng lượng nhiệt, số 100 tháng 7/2011. [3]. Trương Minh Thắng, Nguyễn Mạnh Hùng (2012), Nghiên cứu xây dựng mô hình hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt hoạt động theo chu trình bậc thang và phương pháp sấy mới tiết kiệm năng lượng. Tạp chí Khoa học GTVT, số 40 tháng 12/2012, trang 11-17,52. [4]. Trương Minh Thắng, Nguyễn Mạnh Hùng (2013), Nghiên cứu động học quá trình sấy bơm nhiệt trên cơ sở mô hình truyền nhiệt truyền chất liên hợp có kể đến co ngót ,Tạp chí Khoa học GTVT, số 41 tháng 3/2013, trang 36-41 [5]. Trương Minh Thắng (2013), Ứng dụng phương pháp tương tự xác định thời gian sấy sợi cà rốt. Tạp chí Năng lượng nhiệt, số 112 tháng 7/2013, trang 25-27 [6]. Trương Minh Thắng, Nguyễn Mạnh Hùng (2013) Hiệu chỉnh phương pháp tương tự xác định thời gian sấy khi xét đến ảnh hưởng của co ngót vật liệu. Tạp chí Khoa học GTVT, số đặc biệt, 10/2013, trang 340-345