1

BÁO CÁO TÓM TẮT

ĐỀ TÀI THIẾT BỊ SẤY TỰ ĐỘNG, ĐA NĂNG SỬ

DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ

NĂNG LƯỢNG ĐIỆN

Lĩnh vực: 13 – Kỹ thuật cơ khí

2

MỤC LỤC

PHẦN I. MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 1

A. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI ......................................................................................................... 1

B. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN ........................................... 3

C. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU .............................................................................................. 3

D. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU ................................................................................................ 3

E. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ................................................. 3

F. ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI................................................................................................... 7

PHẦN II. KẾT QUẢ ................................................................................................... 8

1. Kết quả thiết kế nguyên lý làm việc của hệ thống ..................................................... 8

2. Kết quả nghiên cứu tính toán chọn các thông số cơ bản cho thiết bị sấy ......... 9

3. Kết quả thiết kế, chế tạo thiết bị sấy ................................................................................ 9

4. Kết quả chảy thử và đánh giá thử nghiệm ................................................................... 11

PHẦN III. KẾT LUẬN ............................................................................................ 15

PHẦN IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................... 15

1

PHẦN I. MỞ ĐẦU

A. LÍ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày này, khi khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng ngày

càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí

thiên nhiên ngày càng khan hiếm, nguồn năng lượng thủy điện thì có hạn khiến

cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng trầm trọng. Nguồn năng

lượng mặt trời (NLMT) - là nguồn năng lượng sạch và rất tiềm tàng đang được

quan tâm đặc biệt hiện nay. Do đó, việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết

bị sử dụng năng lượng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế đời

sống, sản xuất là vấn đề cần thiết. Trong quá trình sản xuất nông nghiệp, công

nghiệp thực phẩm, dược, việc làm khô nông sản, thực phẩm, thảo dược phần lớn

vẫn đang được thực hiện bằng các biện pháp thủ công hoặc với các thiết bị sấy

điện, hoặc lò đốt thông thường với năng suất thấp chất lượng chưa cao và không

chủ động trong quá trình sản xuất. Thông tin so sánh, đánh giá ưu, nhược điểm

của các công nghệ sấy được mô tả chi tiết trong bảng dưới đây:

Bảng 1. Ưu điểm và nhược điểm của các công nghệ sấy

Kỹ

thuật

sấy

Ưu điểm Nhược điểm

Phơi khô

truyền

thống

- Gần như không có yêu cầu

về đầu tư

- Không có yêu cầu về

nguồn nhiên liệu

- Sản phẩm sấy không được bảo vệ

và có nhiều rủi ro, như bụi, động vật,

kiến, mưa ...

- Cần nhiều thời gian.

- Cần lao động để trông nom, giám

sát.

- Chất lượng phơi khô không tốt (do

tiếp xúc với bụi, ….).

Sấy bằng

củi đốt

hoặc

nhiên

liệu khô

- Tốc độ sấy nhanh hơn

phơi tự nhiên.

- Yêu cầu vốn đầu tư về nhiên liệu.

- Yêu cầu vốn đầu tư về xây dựng.

- Gây ô nhiễm và suy thoái rừng.

- Chất lượng sản phẩm khô có thể bị

ảnh hưởng bởi khói.

- Không dễ để điều khiển quá trình

sấy.

- Cần người lao động để vận hành,

bảo dưỡng, sửa chữa.

2

Sấy bằng

điện

- Tốc độ sấy nhanh hơn hai

loại công nghệ kể trên.

- Sản phẩm sấy được kiểm

soát tốt.

- Chất lượng sấy khô được

đảm bảo tùy thuộc vào yêu

cầu của từng loại sản phẩm.

- Đầu tư tốn kém.

- Đòi hỏi nguồn năng lượng điện.

- Ít phù hợp với các hộ sản xuất nhỏ,

thu nhập thấp.

- Máy cần được lắp đặt trong nhà

nên tiêu tốn thêm chi phí đầu tư.

- Không thân thiện với môi trường.

- Đòi hỏi người lao động có trình độ

để vận hành và bảo trì.

Sấy bằng

năng

lượng

mặt trời

- Đầu tư thấp

- Sử chữa và bảo dưỡng đơn

giản.

- Không yêu cầu người có

trình độ cao để vận hành.

- Kiểm soát quá trình sấy

khô tốt.

- Tốc độ sấy nhanh.

- Sản phẩm sấy được bảo vệ

trong quá trình sấy.

- Thích hợp với nhiều quá

trình sản xuất.

- Thân thiện với môi

trường.

- Đòi hỏi người lao động có trình độ

trong bảo hành, bảo trì.

- Chi phí phụ thuộc vào các khoản

đâu từ ban đầu.

- Máy sấy phải hoạt động đúng chu

trình để đem lại chất lượng sấy cao.

- Có đòi hỏi vốn đầu tư

Vì vậy, việc nghiên cứu để thiết kế, chế tạo thiết bị sấy nông sản, thực

phẩm, thảo dược có có độ chính xác cao đang rất cần thiết.

Từ những so sánh, phân tích trên ta thấy rằng: Thiết bị sấy sử dụng năng

lượng mặt trời đang rất phổ biến hiện nay. Tuy nhiên, vấn đề cấp bù nhiệt khi

không có năng lượng mặt trời hầu như chưa được quan tâm, vấn đề nâng cao độ

chính xác điều khiển quá trình sấy còn hạn chế, các thiết bị sấy thường hạn chế

trong từng điều kiện sử dụng nhất định nên khả năng ứng dụng linh hoạt, đa lĩnh

vực, đa vùng miền, hoặc với điều kiện đầu tư khác nhau còn hạn chế. Nghiên

cứu tích hợp thêm hệ thống cấp bù nhiệt, ổn định nhiệt để cung cấp liên tục cho

quá trình sấy là cần thiết. Hơn thế nữa, việc nghiên cứu để tạo ra thiết bị sấy linh

hoạt, đa chức năng, sử dụng ở các điều kiện vùng miền, điều kiện về đầu tư khác

nhau là hướng đi hết sức tiềm năng.

Vì những lý do trên, nhóm nghiên cứu lựa chọn và thực hiện đề tài: Thiết bị

sấy tự động, đa năng sử dụng tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng điện.

3

B. Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ Ý NGHĨA THỰC TIỄN

- Đóng góp những kết quả về việc nghiên cứu theo hướng phát triển bền vững,

thông qua việc sử dụng tiết kiệm năng lượng điện và sử dụng các nguồn năng

lượng sạch (ở đề tài này là năng lượng mặt trời).

- Đóng góp những kết quả nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ sau thu hoạch

(Một lĩnh vực đang hết sức cần thiết đối với sự phát triển của nước ta).

- Đóng góp những kết quả trong việc nghiên cứu tích hợp nhiều nguồn năng

lượng trong quá trình sấy, để thực hiện công việc sấy trong nhiều điều kiện dự

trữ năng lượng khác nhau.

- Nâng cao độ chính xác trong việc điều khiển quá trình sấy, đáp ứng các yêu

cầu về kỹ thuật trong quá trình sấy.

- Nâng cao mức độ linh động của thiết bị thông qua việc nghiên cứu chế tạo theo

mô đun, để thiết bị có thể được ứng dụng trong các điều kiện khác nhau: Khi

không có điện lưới, khi không có đủ ánh sáng mặt trời, khi không có đủ cả điện

lưới hoặc ánh sáng mặt trời. Ngoài ra, còn có thể ứng dụng với từng khả năng

đầu tư khác nhau tùy thuộc vào sự chọn các mô đun thiết bị.

C. MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU

Thiết kế, chế tạo và chạy thử nghiệm thành công thiết bị sấy tự động, đa

năng sử dụng tích hợp năng lượng mặt trời và năng lượng điện.

D. GIỚI HẠN NGHIÊN CỨU

- Tập trung nghiên cứu thiết bị sấy khô các sản phẩm nông sản, thảo dược

sử dụng năng lượng mặt trời, năng lượng điện.

- Nghiên cứu ở mức quy mô nhỏ (khoảng từ 0,2 – 0,5 m3).

E. NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu tập trung vào các nội dung chính:

1) Nghiên cứu tính toán, thiết kế thiết bị sấy sử dụng năng lượng mặt trời

(Bao gồm việc tính toán các thông số của thiết bị sấy như: Năng suất,

các thông số hình học, các thông số về điều kiện sấy, …)

2) Nghiên cứu chế tạo thiết bị sấy (Bao gồm việc lên bản vẽ thiết kế, lên

bản vẽ mô hình và tiến hành các bước để chế tạo, hoàn thiện sản phẩm).

3) Nghiên cứu chế tạo hệ thống điều khiển cho thiết bị sấy nhằm ổn định

nhiệt, thoát ẩm chủ động và tự động hóa trong quá trình sử dụng.

4) Nghiên cứu đánh giá thiết bị sấy: Sử dụng thiết bị sấy để tiến hành quá

trình sấy nông sản, thảo được, sau đó đánh giá về chất lượng của quá

trình sấy, đánh giá về sự ổn định của quá trình sấy, đánh giá về hiệu

quả khi sử dụng thiết bị sấy.

4

Đề tài được thực hiện theo các bước ở hình 1

Suất phát từ việc nghiên cứu nền tảng lý thuyết và thực tiễn, nội dung và

đối tượng nghiên cứu được cụ thể hóa. Với mỗi nội dung, phương pháp và quá

trình thực hiện được xây dựng. Thông qua quá trình nghiên cứu thực nghiệm

việc thiết kế, lựa chọn các thông số của thiết bị sấy, thiết bị cung cấp năng

lượng, thiết bị điều khiển, ... được thực hiện và thể hiện bằng các bản vẽ kỹ

thuật, các thông số, đặc trưng của từng thiết bị, từng bộ phận.

Hình 1. Tiến trình nghiên cứu

Từ bản vẽ thiết kế, mô hình 3D của thiết bị được xây dựng. Ngoài ra, căn

cứ vào bản vẽ thiết kế và mô hình 3D của sản phẩm, quá trình gia công, lắp giáp

được thực hiện để tạo thành thiết bị. Thiết bị được kiểm tra sơ bộ, điều chỉnh và

được hoàn thiện theo các yêu cầu về thiết kế.

Thiết bị sau khi hoàn thiện được tiến hành chạy thử và ứng dụng đối với

một số loại nông sản, thảo được khác nhau. Các chỉ tiêu về chất lượng quá trình

sấy, độ ổn định, thời gian đáp ứng, ... khi chạy thử nghiệm được thu thập và

đánh giá.

Từ những kết quả đánh giá, thiết bị sấy tiếp tục được nghiên cứu, điều

chỉnh và hoàn thiện trước khi được chuyển giao.

Đề tài sử dụng các phương pháp nghiên cứu cơ bản, đó là:

(1). Phương pháp xác định khoảng nhiệt độ sấy

5

Sử dụng phương pháp nghiên cứu để xác định khoảng nhiệt độ sấy. Trên

cơ sở các công bố khoa học, các tài liệu liên quan đến vấn đề sấy nông sản, thảo

dược, khoảng nhiệt độ sấy được khuyến cáo cho mỗi loại vật liệu sấy sẽ được

tổng hợp, tham khảo và được sử dụng để tính toán cho các loại bộ phận của thiết

bị sấy.

(2). Phương pháp xác định dung tích buồng sấy

Dung tích của buồng sấy được xác định dựa vào yêu cầu của thiết bị sấy.

Nghiên cứu này được thực hiện để chế tạo thiết bị sấy có quy mô nhỏ (< 0,5 m3).

Vì vậy, tùy thuộc vào điều kiện về vật liệu, điều kiện máy móc, thiết bị phục vụ

cho quá trình chế tạo để lựa chọn dung tích buồng sấy (Vbs) cho phù hợp.

(3). Phương pháp xác định năng suất sấy

Năng suất sấy được tính bằng lượng vật liệu sấy được đưa vào sấy cho

mỗi mẻ. Nếu tính về khối lượng, năng suất sấy phụ thuộc vào khối lượng riêng

của loại vật liệu sấy. Vì vậy, trong nghiên cứu này, năng suất sấy được tính bằng

thể tích của vật liệu đưa vào sấy trên mỗi mẻ. Thể tích vật liệu sấy cho mỗi mẻ

bằng tổng thể tích có thể chứa được của tất cả 4 khay sấy.

(4). Phương pháp xác định công suất của hệ thống cấp cấp bù nhiệt

Công suất của hệ thống cung cấp bù nhiệt được xác định bằng phương

pháp thử nghiệm. Nghiên cứu này sử dụng hệ thống đèn hồng ngoại làm hệ

thống cung cấp bù nhiệt, vì vậy, sau khi buồng sấy được hoàn thành, hệ thống

đèn hồng ngoại sẽ được lắp đặt thử nghiệm trong buồng sấy để xác định nhiệt độ

tối đa của không khí trong buồng sấy do hệ thống cấp bù nhiệt tạo ra. Thay đổi

công suất của hệ thống cấp bù nhiệt để đo nhiệt độ tối đa của không khí trong

buồng sấy. Để thực hiện được quá trình sấy khô, thì nhiệt độ tối đa của không

khí trong buồng sấy phải lớn hơn nhiệt độ sấy lựa chọn. Công suất và hệ thống

đèn hồng ngoại được lựa chọn là công suất và hệ thống có thể làm cho nhiệt độ

của không khí trong buồng sấy lớn hơn nhiệt độ cần sấy vật liệu.

(5). Phương pháp thiết kế, xây dựng bản vẽ

Để thực hiện quá trình thiết kế, xây dựng bản vẽ, cần phải xây dựng sơ đồ

nguyên lý của hệ thống. Từ sơ đồ nguyên lý, các trang thiết bị sẽ được lựa chọn,

từ đó hệ thống buồng sấy, khung, chân đỡ và các bộ phận khác sẽ được tính toán

và lựa chọn cho phù hợp. Sau đó các bản vẽ kỹ thuật hoặc mô hình 3D của sản

phẩm sẽ được thiết kế và xây dựng.

(6). Phương pháp chế tạo cơ khí

Hệ thống cơ khí được thi công dựa theo các bản vẽ nguyên lý, thiết kế

bằng cách sử dụng các công cụ, máy móc chuyên dụng, các vật liệu cơ bản được

chọn làm hệ thống là thép và gỗ, tấm tráng bạc cách nhiệt, sơn đen.

(7). Phương pháp xác định yêu cầu công nghệ của hệ thống điều khiển

* Xác định các chế độ làm việc của thiết bị sấy

Hệ thống có thể hoạt động trên 2 chế độ khác nhau:

6

+ Khi không có lưới điện:

Hệ thống hoạt động dựa vào việc thu nhiệt trực tiếp năng lượng mặt trời

và hệ thống cấp bù nhiệt từ nguồn điện, được tích trữ trong ac quy thông qua hệ

thống pin năng lượng mặt trời. Trong trường hợp cường độ ánh sáng đủ lớn,

thiết bị sẽ sử dụng nhiệt chủ yếu từ thiết bị thu nhiệt.

+ Khi có lưới điện:

Hệ thống hoạt động hoàn toàn dựa trên lưới điện như một thiết bị sấy

thông thường.

* Xây dựng chu trình hoạt động và điều khiển

Khởi động hệ thống: Hệ thống thu nhiệt làm việc, hệ thống quạt tuần hoàn

khí sấy làm việc.

Nếu nhiệt độ từ thiết bị thu nhiệt đủ lớn: Lớn hơn hoặc bằng 50 oC (sensor nhiệt

- sensor 1), khi đó quạt gió 01 sẽ khởi động để đẩy hơi nóng từ thiết bị thu nhiệt

lên buồng sấy để sấy sản phẩm sấy.

Thiết bị cấp bù nhiệt (đèn hồng ngoại) hoạt động dựa trên các thông số

của sensor nhiệt (sensor 2). Đèn cấp bù nhiệt giúp nhiệt độ của buồng sấy ổn

định ở 50 oC, Nếu nhiệt độ của buồng sấy nhỏ hơn 50 oC, đèn hồng ngoại sẽ

khởi động để cấp bù nhiệt cho buồng sấy, nếu nhiệt độ của buồng sấy lớn hơn

hoặc bằng 50 oC, đèn sẽ tắt hoặc sáng với cường độ thấp để duy trì nhiệt độ cho

buồng sấy.

Bộ hút ẩm chủ động được đặt ở phía trên của buồng sấy. Bộ hút ẩm sẽ

hoạt động khi sensor ẩm độ (sensor 3) có trị số lớn hơn hoặc bằng 15%. Tốc độ

hút ẩm tăng lên khi trị số độ ẩm tăng lên. Khi độ ẩm nhỏ hơn 15% quá trình hút

ẩm sẽ thực hiện theo quá trình đối lưu tự nhiên. Còi báo hoạt động khi chỉ số độ

ẩm nhỏ hơn hoặc bằng 15%.

(8). Đánh giá độ ổn định nhiệt độ thiết bị sấy

Tiến hành quá trình sấy với các điều kiện tải khác nhau: Sấy không tải, sấy

với vật liệu sấy là củ Kiệu tươi, Dây thìa canh tươi, Củ giềng tươi (đã thái lát).

Sau khi gia nhiệt đến nhiệt độ đặt (50 oC), tiến hành lấy mẫu đo nhiệt độ của khí

sấy. Quá trình lấy mẫu đo được thự hiện liên tục (30 phút một lần) trong toàn bộ

thời gian sấy. Các kết quả lấy mẫu sẽ được tổng hợp, so sánh và đánh giá.

(9). Phương pháp đánh giá thời gian gia nhiệt ở các điều kiện khác nhau

Thời gian gia nhiệt được thử nghiệm trong nhiều điều kiện khác nhau:

- Khác nhau về công suất của đèn gia nhiệt: 2 mức là 750 W và 1050 W.

- Thử nghiệm được thực hiện trong 2 điều kiện cách nghiệt của buồng

sấy: Cách nhiệt chỉ bằng gỗ ép công nghiệp và cách nhiệt bao gồm cả gỗ ép

công nghiệp và lớp bóng bạc chịu nhiệt.

- Thử nghiệm được thử hiện trong 2 điều kiện tải: Chạy không và sấy 6 kg

giềng tươi (đã thái lát).

7

- Thử nghiệm được thực hiện với 3 chế độ thoát ẩm khác nhau: Thoát ẩm

tự nhiên, thoát ẩm với tốc độ quạt tối đa, thoát ẩm chủ động (đến 49 oC quạt

thoát ẩm hoạt động, tốc độ quạt tỉ lệ thuận với độ ẩm của khí sấy).

(10). Phương pháp dánh giá về sự ảnh hưởng của chế độ thoát ẩm đến kết quả sấy

Thử nghiệm này được xác định ở điều kiện công suất của hệ thống đèn

hồng ngoại được sử dụng là: 1050 W, cách nhiệt buồng sấy bao gồm hai lớp là

lớp gỗ ép công nghiệp bên ngoài và lớp bóng bạc cách nhiệt bên trong. Vật liệu

sấy là 6 kg giềng tươi, được sấy khô đến độ ẩm của không khí không thay đổi.

Mỗi lần thử nghiệm, vật liệu sấy được phun một lượng nước như nhau để đảm

bảo điều kiện bắt đầu thử nghiệm với các thử nghiệm như nhau. Các thử nghiệm

được tiến hành ở 4 chế độ thoát ẩm: Thoát ẩm tự nhiên (quạt không chạy), thoát

ẩm với tốc độ quạt tối đa, thoát ẩm chủ động với tốc độ quạt biến thiên khi độ

ẩm không khí sấy biến thiên từ 30 % đến 100 % và thoát ẩm chủ động với tốc độ

quạt biến thiên khi độ ẩm không khí sấy biến thiên từ 150 % đến 60 %. Quá

trình lấy mẫu giá trị đo của nhiệt độ và độ ẩm khí sấy được tiến hành 1 lần mỗi

giờ, quá trình lấy mẫu kết thúc khi độ ẩm của không khí sấy không thay đổi

trong nhiều giờ. Các dữ liệu về nhiệt độ và độ ẩm của không khí sấy sẽ được

thống kê, tổng hợp và đánh giá.

F. ĐIỂM MỚI CỦA ĐỀ TÀI

Thiết bị được chế tạo thành công đã khắc phục được hầu hết các nhược

điểm mà các thiết bị sấy điện, sấy năng lượng mặt trời hiện nay đang có. Đó là:

(1) Tiết kiệm năng lượng nhờ tận dụng nguồn năng lượng mặt trời.

(2) Có thể sử dụng tích hợp các nguồn năng lượng khác nhau (cả điện lưới,

điện lưu trữ trong Ác quy thông qua hệ thống pin năng lượng mặt trời,

đồng thời có thể sử dụng nguồn nhiệt trực tiếp từ năng lượng mặt trời.

Điều này giúp thiết bị có thể được sử dụng ở nhiều điều kiện khác nhau

(khi có điện lưới, khi có ánh sáng mặt trời, và kể cả khí không có điện

lưới, không có ánh sáng mặt trời).

(3) Độ chính xác và tuổi thọ của thiết bị được cải thiện nhờ việc ứng dụng kỹ

thuật điều khiển PID (điều khiển ba khâu: tỉ lệ (Proportional), tích phân

(Integral) và đạo hàm (Derivative)), khác với các thiết bị hiện nay thường

là điều khiển ON/OFF (Đóng/Mở).

(4) Thiết bị có thể sử dụng với nhiều loại vật liệu sấy khác nhau như nông

sản, thảo dược, …

(5) Thiết bị được chế tạo ở dạng mô đun nên có tính linh hoặt trong sử dụng,

đồng thời phù hợp với nhiều vùng miền, với khả năng đầu tư khác nhau.

(6) Vật liệu để chế tạo thiết bị khá linh động: Gỗ, tôn, sắt, …..

8

PHẦN II. KẾT QUẢ

1. Kết quả thiết kế nguyên lý làm việc của hệ thống

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy

Thiết bị sấy được thiết kế dựa trên ý tưởng vừa sử dụng trực tiếp năng lượng

mặt trời (hấp thụ nhiệt chủ động) vừa có thể sử dụng nguồn điện cấp cho hệ thống

đèn hồng ngoại để gia nhiệt cho hệ thống. Vì vậy, sơ đồ nguyên lý được lựa chọn

và thiết kế ở hình 2. Buồng thu nhiệt từ năng lượng mặt trời (1) có dạng hình hộp

chữ nhật được phân ra thành 3 ngăn, giữa các ngăn có khe (11) để lưu thông khí

nóng. Bên trong buồng có lắp tấm kẽm dẹt được uốn cong theo hình sóng nước

nhằm mục đích tăng diện tích tiếp xúc của tấm kẽm với ánh sáng mặt trời. Không

khí ở bên trong buồng thu nhiệt sau khi bị đốt nóng được lưu thông (2) cưỡng bức

bởi quạt một chiều (4) đi vào bên trong buồng sấy (7) thông qua khe dẫn khí (3).

Khí nóng bên trong buồng sấy (17) được lưu thông liên tục bởi quạt gió xuay chiều

(5) đảm bảo cho nhiệt độ bên trong buồng sấy đảm bảo tính đồng đều.

Vỏ buồng sấy (15) được làm từ gỗ được đệm một lớp bóng bạc chịu nhiệt

(14) bên trong với mục đích giữ cho ánh sáng hồng ngoại phát ra từ các đèn

hồng ngoại cấp nhiệt bổ sung (6) ở lại trong buồng sấy và không bị khuếch tán

ra bên ngoài. Ở thành trong buồng sấy có những gờ (8) đỡ giá để nguyên liệu.

Hơi nước thoát ra từ nguyên liệu sấy sẽ được thoát qua khe (12) ra ngoài theo

đường (18) và được thoát tăng cường bởi quạt một chiều (9), bộ phận mũ chụp

(10) đảm bảo cho độ ẩm từ buồng sấy được thoát đều ra hai phía. Buồng sấy

được cố định và nâng đỡ bởi hệ thống chân đỡ (16), đồng thời hệ thống chân đỡ

Mặt cắt dọc thiết bị

Mặt cắt ngang thiết bị

9

cũng có tác dụng làm cho buồng thu nhiệt tạo một góc nghiêng cố định với

phương nằm ngang, giúp cho khí nóng vẫn lưu thông tự nhiên được vào buồng

sấy trong trường hợp không sử dụng quạt thổi khí nóng cưỡng bức.

2. Kết quả nghiên cứu tính toán chọn các thông số cơ bản cho thiết bị sấy

điều kiện sấy khuyến cáo đối với một số loại nông sản, thảo dược được

thống kế trong bảng 4.1. Từ bảng trên ta thấy rằng các loại nông sản, thảo dược

phổ biến được sấy ở khoảng nhiệt độ là từ 40 oC đến 55 oC. Vì vậy, các thông số

cơ bản được chọn trong thiết kế thiết bị sấy quy mô nhỏ đó là:

- Nhiệt độ sấy của thiết bị: Từ 40 oC đến 55 oC.

- Dung tích của buồng sấy là: 0,7 x 0,7 x 0,5 = 0,245 m3.

- Số khay sấy là: 4 khay.

- Công suất của hệ thống cấp bù nhiệt: Từ 750 W đến 1000 W.

- Công suất của quạt tuần hoàn gió là: 40 W (Xoay chiều).

- Công suất của quạt thoát ẩm là: 15 W (Một chiều).

- Công suất của pin năng lượng mặt trời là: 300 W.

- Thông số của bình ắc quy là: 24V-120Ah

- Công suất của bộ nghịch lưu DC-AC: 1000 VA.

3. Kết quả thiết kế, chế tạo thiết bị sấy

Sử dụng các phần mềm thiết kế như Solidworks, thiết bị đã được thiết kế,

được gia công chế tạo và được mô tả như ở hình 3, 4. Bao gồm các mô đun và

các thiết bị kèm theo như:

(1) Mô đun thu nhiệt từ năng lượng mặt trời.

(2) Mô đun buồng sấy.

(3) Mô đun bộ hút ẩm chủ động.

(4) Ống dẫn nhiệt.

(5) Mô đun chân đế.

(6) Mô đun hệ thống điều khiển

(7) Tấm kẽm thu nhiệt.

Và bộ thu, tích điện năng từ năng lượng mặt trời, đồng thời phát điện

chạy hệ thống khi không có điện lưới được mô tả ở hình 5.

10

Hình 3. Bản thiết kế 3D thiết bị

Hình 4. Thiết bị hoàn thiện

11

* Hệ thống chuyển hóa quang năng thành điện năng

Sử dụng tấm pin mặt trời công suất 300W, kích thước 1961 x 995 x 40

mm (hình 5).

Pin mặt trời công suất 300W

Ắc quy JS 12V-120Ah

Inverter Sanshun

Hình 5. Hệ thống thu cấp điện từ pin mặt trời

* Thiết bị dự trữ năng lượng điện

Sử dụng bình ắc quy JS 12V-120Ah (hình 5).

* Bộ nghịch lưu DC-AC

Sử dụng Inverter Sanshun có công suất 1000VA (hình 5), ngoài khả năng

chuyển đổi nguồn điện một chiều thành nguồn điện xuay chiều dạng hình sin

khá chuẩn, cung cấp hai ngõ ra xuay chiều với mức điện áp khác nhau: 110V và

220V, thiết bị còn có chế độ sạc cho ắc quy từ điện lưới, thiết bị có khả năng sạc

được đầy điện cho ắc quy có dung lượng lên đến 200 Ah.

4. Kết quả chảy thử và đánh giá thử nghiệm

a. Đánh giá độ ổn định nhiệt độ thiết bị sấy

Cho hệ thống vận hành không tải liên tục trong thời gian 10 giờ đồng hồ

tiến hành lấy mẫu nhiệt độ trong buồng sấy (hiển thị trên màn hình báo nhiệt độ,

độ ẩm Prosens) với tần suất lấy mẫu là 30 phút 1 lần, sau đó so sánh mẫu thu

được với giá trị đặt (Setpoint, 50 oC) để xác định sai số nhiệt độ điều khiển, tỉ lệ

12

% sai số so với giá trị đặt. Các thử nghiệm được thực hiện với các điều kiện sấy

khác nhau: Sấy không tải, sấy với tải lại củ Kiệu tươi, sấy với tải là dây thìa

canh tươi, sấy với tải là riềng tươi (đã thái lát). Kết quá đánh giá sự ổn định của

nhiệt độ sấy được mô tả trên đồ thị ở hình 6. Kết quả trên đồ thị chỉ ra rằng, dù

thực hiện chế độ sấy với điều kiện tải khác nhau, tuy nhiên dường như nhiệt độ

của khí sấy tương đối ổn định quanh vị trị đặt là T = 50 oC, với độ lệch nhỏ hơn

0,5 oC.

Hình 6. Đánh giá tính ổn định điều khiển nhiệt

b. Đánh giá thời gian gia nhiệt ở các điều kiện khác nhau

Kết quả đánh giá thời gian gia nhiệt được thống kê ở bảng 2. Kết quả chỉ

ra rằng: Với công suất của bộ phận cấp bù nhiệt là 750 W, thời gian gia nhiệt

khá lâu (lớn hơn 30 phút), điều này có anh hưởng đến chất lượng không khí sấy

cũng như khả năng điều khiển ổn định nhiệt độ khí sấy. Khi nâng công suất hệ

thống cấp bù lên 1050 W, thời gian gia nhiệt đã giảm xuống đáng kể (khoảng 12

phút), khoảng thời gian này có thể chấp nhận được trong sản xuất công nghiệp.

Như vậy: Sử dụng công suất của hệ thống cấp bù nhiệt là 1050 W đáp ứng được

yêu cầu về thời gian gia nhiệt đối với thiết bị sấy.

Khi so sánh thời gian gia nhiệt trong 2 điều kiện về cách nhiệt của buồng

sấy là: Chỉ gồm 1 lớp gỗ ép công nghiệp và gồm 1 lớp gỗ công nghiệp + 1 lớp

bóng bạc chịu nhiệt, kết quả thể hiện rõ ràng rằng: Khi thùng sấy có hai lớp cách

nhiệt, thời gian gia nhiệt giảm đi rất nhiều (khoảng 15 phút) so với khi chỉ dùng

một lớp cách nhiệt là gỗ ép công nghiệp. Vì vậy, khi hoàn thiện thiết bị sấy cần

đảm bảo điều kiện cách nhiệt bao gồm một lớp gỗ ép công nghiệp bên ngoài và

một lớp bóng bạc cách nhiệt bên trong của thùng sấy.

13

Bảng 2. Kết quả đánh giá thời gian gia nhiệt

Thử nghiệm

Điều kiện năng lượng

Điều kiện cách nhiệt

Điều kiện tải

Điều kiện thoát ẩm Thời

gian gia nhiệt TB

1

Sử dụng 2 đèn với công suất 750 W

Cách nhiệt thông thường bằng gỗ công

nghiệp

Không tải

Thoát ẩm tự nhiên 30

2 Quạt thoát ẩm chạy hết

công suất 50

3 Đến 49oC quạt chạy,

công suất quạt tỉ lệ thuật với độ ẩm

31

4

Tải 6 kg Riềng tươi

Thoát ẩm tự nhiên 40

5 Quạt thoát ẩm chạy hết

công suất 70

6 Đến 49oC quạt chạy,

công suất quạt tỉ lệ thuật với độ ẩm

42

7

Cách nhiệt thông thường bằng gỗ công nghiệp và lớp

bóng bạc cách nhiệt

Không tải

Thoát ẩm tự nhiên 15

8 Quạt thoát ẩm chạy hết

công suất 20

9 Đến 49oC quạt chạy,

công suất quạt tỉ lệ thuật với độ ẩm

16

10

Tải 6 kg Riềng tươi

Thoát ẩm tự nhiên 20

11 Quạt thoát ẩm chạy hết

công suất 32

12 Đến 49oC quạt chạy,

công suất quạt tỉ lệ thuật với độ ẩm

22

13

Sử dụng 4 đèn với công suất 1050 W

Cách nhiệt thông thường bằng gỗ công

nghiệp

Không tải

Thoát ẩm tự nhiên 13

14 Quạt thoát ẩm chạy hết

công suất 15

15 Đến 49oC quạt chạy,

công suất quạt tỉ lệ thuật với độ ẩm

12

16

Tải 6 kg Riềng tươi

Thoát ẩm tự nhiên 17

17 Quạt thoát ẩm chạy hết

công suất 25

18 Đến 49oC quạt chạy,

công suất quạt tỉ lệ thuật với độ ẩm

19

19

Cách nhiệt thông thường bằng gỗ công nghiệp và lớp

bóng bạc cách nhiệt

Không tải

Thoát ẩm tự nhiên 8

20 Quạt thoát ẩm chạy hết

công suất 15

21 Đến 49oC quạt chạy,

công suất quạt tỉ lệ thuật với độ ẩm

9

22

Tải 6 kg Riềng tươi

Thoát ẩm tự nhiên 11

23 Quạt thoát ẩm chạy hết

công suất 18

24 Đến 49oC quạt chạy,

công suất quạt tỉ lệ thuật với độ ẩm

12

Khi so sánh thời gian gia nhiệt khi thoát ẩm bằng ba phương pháp: Thoát

ẩm tự nhiên, thoát ẩm với công suất quạt tối đa, thoát ẩm với trường hợp quạt

14

hoạt động khi nhiệt độ khí sấy là 49 oC (gần nhiệt độ đặt) và công suất quạt chủ

động thay đổi tỉ lệ thuận với độ ẩm của khí sấy: Kết quả chỉ ra rằng, thời gian gia

nhiệt khi thoát ẩm tự nhiên là nhanh nhất, khi quạt thoát ẩm với công suất tối đa là

lâu nhất, và trường hợp chủ động thì thời gian gia nhiệt nhanh gần bằng thoát ẩm

tự nhiên. Tuy nhiên, việc thoát ẩm chủ động kiểm soát tốt độ ẩm của không khí

sấy, chính vị vậy, chế độ thoát ẩm chủ động nên được áp dụng khi thiết kế, chế

tạo thiết bị sấy.

c. Đánh giá về sự ảnh hưởng của chế độ thoát ẩm đến kết quả sấy

Kết quả đánh giá sự ảnh hưởng của chế độ thoát ẩm đến kết quả sấy

(sự thoát ẩm và thời gian đạt đến độ ẩm ổn định), được thống kê trong bảng 4.5

và được thể hiện ở biểu đồ hình 7.

Hình 7. Biểu đồ thay đổi nhiệt độ và độ ẩm của khí sấy

Kết quả từ biểu đồ hình 7 chỉ ra rằng, trong điều kiện thoát ẩm chủ động

(công suất của quạt biến đổi khi độ ẩm của không khí sấy thay đổi từ 15% đến

60%), cho hiệu quả sấy tốt nhất.

15

PHẦN III. KẾT LUẬN

Qua quá trình nghiên cứu, chế tạo, chạy thử đề tài được tổng kết với một

số kết luận sau đây:

- Đề tài đã được thực hiện thành công. Thiết bị sấy sử dụng năng lượng

mặt trời, tích hợp với hệ thống cấp bù và điều khiển ổn định nhiệt đã được thiết

kế chế tạo thành công.

- Thiết bị sấy được chế tạo hoạt động ổn định, đáp ứng các yêu cầu trong

sấy nông sản, thảo dược. Với nhiệt độ sấy từ: 40 oC đến 55 oC, dung dung tích

sấy là: 0.245 m3, tổng công suất tiêu thụ điện khi sử dụng hoàn toàn bằng năng

lượng điện là: 1100 W.

- Thiết bị sấy có thể dùng được trong những điều kiện đầy đủ ánh sáng

mặt trời, cũng như khi thiếu ánh sáng mặt trời thông qua hệ thống cấp bù bằng

đèn hồng ngoại.

- Thiết bị sấy có thể được sử dụng với nhiều loại nông sản, thảo dược

khác nhau.

- Thời gian gia nhiệt trung bình của thiết bị sấy là: 12 phút.

- Độ chính xác khi điều khiển nhiệt độ của khí sấy thấp nhất là: 99,2 %.

- Sản phẩm sấy có chất lượng đồng đều nhau tại mỗi mẻ sấy và giữa các

mẻ sấy nhờ hệ thống tuần hoàn khí sấy và hệ thống giám sát nhiệt độ, độ ẩm của

không khí sấy.

- Thiết bị đã được chạy thử nghiệm và cải tiến một số điểm còn hạn chế,

đảm bảo thiết bị sấy hoạt động tối ưu nhất có thể.

PHẦN IV. TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Waewsak, J.; Chindaruksa, S.; and Punlek, C, A mathematical modeling

study of hot air drying for some agricultural products.Thammasat Int. J.

Sci. Technol. 11(1): 14-20, 2006.

[2] Akinola, A.O.; and Fapetu, O.P, Energetic Analysis of a Mixed-Mode Solar

Dryer. J. Engin. Appl. Sci. 1: 205-10, 2006.

[3] Hoàng Dương Hùng, Năng lượng Mặt trời lý thuyết và ứng dụng. Nhà xuất

bản khoa học và kỹ thuật, 2007.

[4] Hoàng Dương Hùng và Mai Vinh Hòa, Nghiên cứu hệ thống tích trữ

năng lượng nhiệt mặt trời, Tạp chí KHCN Đại học Đà Nẵng, 2010.

[5]. Nguyễn Văn May, Giáo trính kỹ thuật sấy nông sản thực phẩm, NXB Khoa

học kỹ thuật Hà Nội, 2007.