RealEDU.

1. Bé GI¸O DôC Vµ §µO T¹O
TR¦êNG §¹I HäC B¸CH KHOA Hµ NéI
----------- -----------

NGUYÔN M¹NH HïNG
NGHI£N CøU QU¸ TR×NH TRUYÒN NHIÖT TRUYÒN CHÊT
TRONG HÖ THèNG SÊY L¹NH DïNG B¥M NHIÖT
Vµ C¸C GI¶I PH¸P TIÕT KIÖM N¡NG L¦îNG
LUËN ¸N TIÕN SÜ Kü THUËT nhiÖt
Hµ NéI - 2012
nguyÔn
m¹nh
hïng

LuËn
¸N
TIÕN
SÜ
kü
thuËt
nhiÖt

Hµ
Néi
-
2012

2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
NGUYỄN MẠNH HÙNG
NGHIÊN CỨU QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT TRUYỀN CHẤT
TRONG HỆ THỐNG SẤY LẠNH DÙNG BƠM NHIỆT
VÀ CÁC GIẢI PHÁP TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG
Chuyên ngành: Công nghệ và thiết bị lạnh
Mã số: 62.52.80.05
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT NHIỆT
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TS. NGUYỄN ĐỨC LỢI
2. GS. TSKH. TRẦN VĂN PHÚ
HÀ NỘI - 2012

3. iii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và kết
quả trong luận án là trung thực và chưa có ai công bố trong bất kỳ công trình nào.
Nếu sai, tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm.
Hà nội, ngày 12 tháng 11 năm 2011
Tác giả luận án
Nguyễn Mạnh Hùng

4. iv
LỜI CẢM ƠN
Luận án tiến sỹ với đề tài: "Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất
trong hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt và các giải pháp tiết kiệm năng lượng"
đã được hoàn thành trong thời gian từ tháng 11 năm 2007 đến tháng 11 năm 2011
tại Bộ môn Kỹ thuật Lạnh và Điều hòa không khí, Viện Khoa học và Công nghệ
Nhiệt Lạnh Trường Đại học Bách Khoa Hà nội.
Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn chân thành tới Lãnh đạo trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội, Viện Khoa học và Công nghệ Nhiệt - Lạnh, Viện Sau đại học, đặc
biệt là tập thể giáo viên hướng dẫn: PGS. TS. Nguyễn Đức Lợi, GS. TSKH. Trần
Văn Phú và các thầy cô giáo trong Viện Nhiệt - Lạnh đã có những chỉ dẫn thiết thực
cho việc hoàn thành luận án.
Tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các em sinh viên khóa 50 và 51 Đại
học Bách Khoa Hà nội, các em sinh viên khóa 47 Đại học Giao thông Vận tải đã
giúp đỡ trong quá trình đo đạc thực nghiệm và thu thập số liệu góp phần vào sự
hoàn thành luận án.
Tác giả cũng xin bày tỏ sự cảm ơn giúp đỡ của những người thân và bạn bè,
đồng nghiệp đã hỗ trợ, động viên tác giả trong thời gian thực hiện luận án.
Hà nội, ngày 12 tháng 11 năm 2011.
Tác giả luận án
Nguyễn Mạnh Hùng

5. v
MỤC LỤC
Trang
Lời cam đoan iii
Lời cảm ơn iv
Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt xi
Danh mục các bảng xv
Danh mục các hình vẽ và đồ thị xvi
Mở đầu 1
Chương 1. Tổng quan về công nghệ sấy nông sản thực phẩm
bằng hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt
3
1.1. Định nghĩa và các phương pháp sấy lạnh 3
1.1.1. Định nghĩa 3
1.1.2. Các phương pháp sấy lạnh 4
1.2. Hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt 5
1.2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống 5
1.2.2. Các quá trình nhiệt động của tác nhân sấy trong hệ thống sấy lạnh
dùng bơm nhiệt
6
1.3. Tiết kiệm năng lượng trong hệ thống sấy lạnh bằng bơm nhiệt 7
1.3.1. Sơ lược về vấn đề tiết kiệm năng lượng trong hệ thống sấy 7
1.3.2. Tiết kiệm năng lượng với sấy lạnh bằng bơm nhiệt 8
1.4. Một số vấn đề căn bản trong kỹ thuật sấy 9
1.4.1. Ảnh hưởng tương hỗ giữa quá trình dẫn nhiệt và dẫn ẩm trong
vật liệu
9
1.4.2. Vấn đề xác định thời gian sấy 11
1.4.3. Về một phương pháp mới xác định thời gian sấy 12
1.5. Tổng quan một số thành tựu nghiên cứu về sấy lạnh bằng bơm nhiệt 15
1.5.1. Các nghiên cứu về sấy lạnh bằng bơm nhiệt trên thế giới 15

6. vi
1.5.2. Các nghiên cứu về sấy lạnh bằng bơm nhiệt tại Việt Nam 18
1.6. Kỹ thuật sấy gián đoạn 19
1.6.1. Sơ lược về kỹ thuật sấy gián đoạn 19
1.6.2. Một số kết quả nghiên cứu điển hình về sấy gián đoạn trên thế giới 22
1.6.3. Sấy gián đoạn với hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt 23
1.7. Những vấn đề tồn tại cần giải quyết 24
1.7.1. Mô hình toán học quá trình sấy lạnh trên cơ sở bỏ qua ảnh hưởng
của truyền nhiệt đến truyền ẩm
24
1.7.2. Vấn đề xác định thời gian sấy lạnh 25
1.7.3. Vấn đề động học quá trình sấy lạnh và ảnh hưởng của các yếu tố
đến quá trình sấy, lựa chọn chế độ sấy phù hợp
25
1.7.4. Vấn đề tiết kiệm năng lượng với sấy lạnh bằng bơm nhiệt 25
1.8. Kết luận chương 1 26
Chương 2. Vật liệu và phương pháp nghiên cứu 27
2.1. Tổng quát các nội dung cần thực hiện của đề tài nghiên cứu 27
2.2. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 28
2.2.1. Nghiên cứu quá trình dịch chuyển nhiệt ẩm và lựa chọn hệ
phương trình vi phân truyền nhiệt truyền chất liên hợp
28
2.2.2. Phương pháp giải hệ phương trình vi phân truyền nhiệt truyền chất 28
2.2.3. Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến động học sấy 28
2.2.4. Xác định thời gian sấy trên cơ sở nghiệm của hệ phương trình vi
phân truyền nhiệt truyền chất tìm được bằng phương pháp sai phân hữu hạn
29
2.2.5. Xác định lượng nhiệt vật liệu sấy hấp thụ trong quá trình sấy 29
2.2.6. Nghiên cứu lý thuyết khả năng tiết kiệm năng lượng của các chế
độ sấy
30
2.3. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm 30
2.3.1. Xây dựng mô hình thí nghiệm 30
2.3.1.1. Vài nét về chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi 30
2.3.1.2. Lựa chọn chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi vào việc xây dựng
mô hình thí nghiệm
32

7. vii
2.3.1.3. Sơ đồ và nguyên lý hệ thống sấy lạnh bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi 32
2.3.1.4. Mô hình hệ thống sấy lạnh bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi 32
2.3.2. Lựa chọn vật liệu nghiên cứu 38
2.3.2.1. Giới thiệu chung về khoai tây 38
2.3.2.2. Chế biến và sấy khoai tây 39
2.3.2.3. Lý do sử dụng khoai tây làm vật liệu nghiên cứu trong luận án 42
2.3.3. Phương pháp xác định một số thông số nhiệt vật lý của khoai tây 43
2.3.3.1. Các thông số được tra cứu thừa nhận kết quả 43
2.3.3.2. Các thông số được xác định bằng thực nghiệm 46
2.3.4. Phương pháp xác định một số thông số nhiệt vật lý của tác nhân sấy 46
2.3.5. Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết 46
2.3.5.1. Phương pháp tổ chức thực nghiệm sấy khoai tây lát mỏng 47
2.3.5.2. Phương pháp điều chỉnh thông số tác nhân sấy 48
2.3.5.3. Phương pháp lấy và xử lý số liệu 49
2.3.5.4. Phương pháp đánh giá số liệu thực nghiệm 49
2.3.5.5. Phương pháp đánh giá và so sánh hiệu quả năng lượng của
hệ thống sấy lạnh
50
2.4. Kết luận chương 2 50
Chương 3. Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất liên hợp và lựa chọn
mô hình toán học nghiên cứu quá trình sấy lạnh bằng bơm nhiệt
51
3.1. Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất liên hợp trong kỹ thuật sấy 51
3.1.1. Quá trình tương tác ẩm giữa vật liệu và không khí 51
3.1.1.1. Tính không thuận nghịch của quá trình tươngtác 51
3.1.1.2. Hấp phụ và khử hấp phụ đẳng nhiệt 51
3.1.2. Truyền nhiệt truyền chất giữa vật liệu ẩm và tác nhân sấy 52
3.1.2.1. Quy luật truyền nhiệt truyền chất thực nghiệm 52
3.1.2.2. Các phương trình tiêu chuẩn 53
3.1.3. Dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm trong lòng vật liệu sấy 55
3.1.4. Hệ phương trình dẫn nhiệt và khuếch tán 55
3.2. Nghiên cứu mối quan hệ giữa hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi ẩm
đối lưu trong sấy lạnh - Phát triển phương pháp xác định thời gian sấy
56

8. viii
của Trần Văn Phú
3.2.1. Sự tương tự giữa trao đổi nhiệt đối lưu và trao đổi ẩm đối lưu tại bề
mặt vật liệu sấy trong quá trình sấy lạnh
56
3.2.2. Xây dựng mối quan hệ giữa hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và hệ số

trao đổi ẩm đối lưu m trong sấy lạnh bằng bơm nhiệt vật liệu dạng tấm phẳng
59
3.2.3. Phát triển phương pháp xác định thời gian sấy của Trần Văn Phú
cho trường hợp sấy lạnh bằng bơm nhiệt vật liệu dạng tấm phẳng
61
3.2.4. So sánh kết quả thu được với kết quả của Crank (1975) 64
3.3. Lựa chọn mô hình toán học nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất
đồng thời trong sấy lạnh bằng bơm nhiệt
65
3.3.1. Lý do của việc lựa chọn mô hình 65
3.3.2. Các giả thiết của mô hình 67
3.3.3. Điều kiện đơn trị 67
3.3.4. Phương pháp giải hệ phương trình (3.65) 67
3.4. Kết luận chương 3 74
Chương 4. Nghiên cứu lý thuyết quá trình sấy khoai tây lát mỏng trong
hệ thống sấy lạnh bằng bơm nhiệt
75
4.1. Kiểm chứng lý thuyết mô hình toán học bằng quá trình sấy mẻ liên tục
khoai tây lát mỏng với tác nhân sấy là không khí nóng
76
4.1.1. Động học quá trình sấy 76
4.1.2. Ảnh hưởng của chế độ sấy đến quá trình sấy 77
4.1.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy 77
4.1.2.2. Ảnh hưởng của độ ẩm tác nhân sấy 77
4.1.2.3. Ảnh hưởng của tốc độ tác nhân sấy 77
4.1.3. Nhiệt lượng vật liệu sấy hấp thụ trong quá trình sấy 79
4.2. Nghiên cứu lý thuyết quá trình sấy mẻ liên tục khoai tây lát mỏng trong
hệ thống sấy lạnh bằng bơm nhiệt
82
4.2.1. Động học quá trình sấy 82
4.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy 86
4.2.2.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy 86

9. ix
4.2.2.2. Ảnh hưởng của độ ẩm tác nhân sấy 87
4.2.2.3. Ảnh hưởng của tốc độ tác nhân sấy 88
4.2.2.4. Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu vật liệu sấy 88
4.2.3. Nhiệt lượng vật liệu sấy hấp thụ trong quá trình sấy 89
4.2.4. Xác định thời gian sấy và lượng nhiệt hấp thụ ở các chế sấy khác nhau 89
4.2.5. Lựa chọn chế độ sấy phù hợp 92
4.2.6. Xác định thời gian sấy theo công thức (3.56) 94
4.3. Kết luận chương 4 95
Chương 5. Nghiên cứu lý thuyết các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong hệ
thống sấy lạnh bằng bơm nhiệt
96
5.1. Giải pháp trên cơ sở động học quá trình sấy liên tục 96
5.2. Giải pháp trên cơ sở kỹ thuật sấy gián đoạn theo mẻ 97
5.2.1. Các chế độ sấy gián đoạn phổ biến 97
5.2.2. Nghiên cứu quá trình sấy gián đoạn theo chế độ cấp nhiệt - ủ 99
5.2.3. Nghiên cứu quá trình sấy gián đoạn khi nhiệt độ tác nhân sấy thay
đổi theo quy luật hình chữ nhật
102
5.2.4. Nghiên cứu quá trình sấy gián đoạn khi nhiệt độ tác nhân sấy thay
đổi theo bậc
105
5.2.4.1. Nhiệt độ tác nhân sấy giảm dần theo bậc 105
5.2.4.2. Nhiệt độ tác nhân sấy tăng dần theo bậc 108
5.2.5. Đề xuất phương án sấy gián đoạn mới 108
5.3. Kết luận chương 5 109
Chương 6. Nghiên cứu thực nghiệm 110
6.1. Thực nghiệm xác định động học quá trình sấy lạnh 110
6.1.1. Thực nghiệm xác định độ ẩm ban đầu của khoai tây 110
6.1.2. Thực nghiệm xác định động học sấy 112
6.2. Thực nghiệm kiểm chứng phương pháp xác định thời gian sấy lạnh 116
6.3. Thực nghiệm kiểm chứng giải pháp tiết kiệm năng lượng bằng sơ đồ
sấy gián đoạn kết hợp
118

10. x
6.4. Kết luận chương 6 119
Kết luận và đề xuất 120
Các công trình của tác giả đã công bố có liên quan đến luận án 122
Tài liệu tham khảo 123
Phụ lục A. Thành phần hóa học của khoai tây 131
Phụ lục B. Một số thông số nhiệt vật lý của không khí, nước và khoai tây 132
Phụ lục C. Kết quả tính toán các đại lượng nhiệt vật lý của không khí ẩm
và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu trên bề mặt tấm phẳng ở nhiệt độ từ 200
C
đến 400
C
133
Phụ lục D. Sơ đồ khối và một số kết quả giải hệ phương trình vi phân 134
Phụ lục E. Kết quả xác định độ ẩm tương đối ban đầu của khoai tây 178
Phụ lục F. Một số kết quả thí nghiệm 179
Phụ lục G. Một số hình ảnh thực hiện luận án 186

11. xi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu
Chữ viết tắt
Tên gọi Đơn vị đo
Ar Tiêu chuẩn đồng dạng Arsimet -
a Hệ số dẫn nhiệt độ m2
/s
aij Các hệ số trong hệ phương trình (3.14)
am Hệ số khuếch tán ẩm m2
/s
aw Hoạt độ của nước -
Bi Tiêu chuẩn đồng dạng Biot -
b Hệ số trong phương trình (3.65)
bgđ Hệ số gián đoạn -
Cm Ẩm dung riêng kg/kg0
M
Cp Nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp J/kg.K
d Lượng chứa ẩm của không khí kg/kgkk
Dh,a Hệ số khuếch tán hơi nước vào trong không khí m2
/s
Deff Hệ số khuếch tán hiệu quả m2
/s
F Diện tích m2
Fo Tiêu chuẩn đồng dạng Fourier -
G Lượng ẩm lỏng hóa hơi kg
Ga Khối lượng ẩm trong vật liệu kg
Gk Khối lượng cốt khô của vật liệu kg
Gu Tiêu chuẩn đồng dạng Gouman -
g Gia tốc trọng trường m/s2
ga Khối lượng ẩm trong phân tố thể tích kg
gk Khối lượng vật liệu khô trong phân tố thể tích kg
I Entanpi J/kg
J1
J2
Mật độ dòng nhiệt
Mật độ dòng chất
W/m2
kg/m2
.s
k Hằng số sấy 1/s
 Kích thước đặc trưng dòng chảy m
L Chiều dài tấm phẳng m

12. xii
Lij Hệ số hiện tượng -
m Khối lượng kg
M Độ chứa ẩm của vật liệu kg/kg khô
M Độ chứa ẩm trung bình của vật liệu kg/kg khô
Mcb Độ chứa ẩm cân bằng của vật liệu kg/kg khô
Mm Hệ số trong phương trình xác định độ chứa ẩm cân
bằng (2.8) và (2.9)
-
Nu Tiêu chuẩn đồng dạng Nusselt -
p Áp suất Pa
pa Áp suất riêng phần Pa
Pr Tiêu chuẩn đồng dạng Prandtl -
Q Nhiệt lượng J
r Nhiệt ẩn hóa hơi của nước J/kg
rh Mật độ nguồn ẩm kga/m3
.s
R Kích thước đặc trưng của vật hoặc tấm phẳng m
Re Tiêu chuẩn đồng dạng Reynolds -
Sc Tiêu chuẩn đồng dạng Schmidt -
Sh Tiêu chuẩn đồng dạng Sherwood -
T Nhiệt độ tuyệt đối (Kenvil) K
t Nhiệt độ bách phân (Celcius) 0
C
p
t Nhiệt độ trung bình của vật liệu tại thời điểm p 0
C
V Thể tích m3
W Lượng ẩm bay hơi kg
W Khối lượng vật liệu ẩm kg
X Tọa độ không thứ nguyên
yLT,i Giá trị lý thuyết thứ i
yTN,i Giá trị thực nghiệm thứ i
TN
y Giá trị trung bình thực nghiệm
Ký tự Hy lạp
 Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu W/m2
.K
m Hệ số trao đổi ẩm đối lưu m/s
'm Hệ số trao đổi ẩm đối lưu theo áp suất riêng phần kg/m2
.s.Pa

13. xiii
 Bề dày tấm phẳng m
t Hệ số gradient nhiệt độ -
 Độ chênh
 Độ ẩm tương đối %
 Hệ số biến đổi pha -
 Đại lượng trong phương trình (3.42)
 Gradient
 Hệ số dẫn nhiệt W/m.K
ij Các hệ số trong phương trình (1.6)
 Hệ số nhớt động lực học kg/m.s
n Nghiệm của phương trình đặc trưng (3.47)
m,n Nghiệm của phương trình đặc trưng (3.49)
 Hệ số nhớt động học m2
/s
1 Trường nhiệt độ không thứ nguyên
2 Trường thế dẫn ẩm không thứ nguyên
 Thế dẫn ẩm 0
M
 Nhiệt độ không thứ nguyên -
*
 Nhiệt độ không thứ nguyên trung bình -
m
 Độ chứa ẩm không thứ nguyên -
*
m
 Độ chứa ẩm không thứ nguyên trung bình -
 Khối lượng riêng kg/m3
 Đại lượng trong phương trình (3.40)
 Thời gian s
 Độ ẩm tương đối của vật liệu %
a Tốc độ không khí m/s
k Độ ẩm tuyệt đối của vật liệu %
Chỉ số dưới Ý nghĩa
0 Ban đầu
 Tại thời điểm vô cùng
a Không khí
bh Bão hòa

14. xiv
bm Bề mặt
c Cuối
cb Cân bằng
h Hơi
i, j Chỉ số thứ tự
m Truyền chất
mt Môi trường
s Vật liệu khô
Các chữ
viết tắt
Ý nghĩa Đơn vị
BS Buồng sấy
HTS Hệ thống sấy
PPS Phương pháp sấy
QTS Quá trình sấy
SGĐ Sấy gián đoạn
SLT Sấy liên tục
SMER Lượng tách ẩm riêng kg ẩm/kWh
SPS Sản phẩm sấy
TB Trung bình
TBS Thiết bị sấy
TGS Thời gian sấy
TNS Tác nhân sấy
TNTC Truyền nhiệt truyền chất
VLÂ Vật liệu ẩm
VLS Vật liệu sấy

15. xv
DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1. Các nghiên cứu về sấy lạnh bằng bơm nhiệt gần đây của các
tác giả trên thế giới
16
Bảng 2.1. Thông số HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi HS-01 35
Bảng 2.2. Thiết bị và dụng cụ đo trong hệ thống sấy HS-01 36
Bảng 2.3. Các chế độ vận hành HTS HS-01 37
Bảng 3.1. Giá trị điển hình của hệ số khuếch tán hiệu quả trong thực phẩm 62
Bảng 4.1. Thời gian sấy và lượng nhiệt VLS hấp thụ khi sấy liên tục bằng
không khí nóng đến độ ẩm tương đối 7%
81
Bảng 4.2. Kết quả tính toán QTS với các chế độ sấy lạnh bằng bơm nhiệt
khác nhau đến cùng độ ẩm cuối 9%
90
Bảng 4.3. Kết quả tính toán QTS với cùng tốc độ TNS 1 m/s (trích từ bảng 4.2) 94
Bảng 5.1. Các chế độ sấy cấp nhiệt on - off 99
Bảng 5.2. Thời gian sấy (TGS) và tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ của các chế
độ sấy nêu trong bảng 5.1.
101
Bảng 5.3. Một số chế độ cấp nhiệt theo quy luật hình chữ nhật 102
Bảng 5.4. Thời gian sấy và lượng nhiệt tiêu hao của các chế độ sấy kiểu
cấp nhiệt hình chữ nhật trong bảng 5.3
104
Bảng 5.5. Các chế độ sấy theo sơ đồ nhiệt độ TNS giảm dần theo bậc 105
Bảng 5.6. Thời gian sấy và tổng lượng nhiệt VLS hấp thụ ứng với các chế
độ sấy nhiệt độ TNS giảm dần theo bậc nêu trong bảng 5.5.
107
Bảng 5.7. Các chế độ sấy theo sơ đồ nhiệt độ TNS tăng dần theo bậc 108
Bảng 6.1. So sánh thời gian sấy khi khoai tây có bề dày 5 mm. 117
Bảng 6.2. Thí nghiệm so sánh hiệu quả năng lượng của phương pháp sấy
gián đoạn kết hợp (TN9) với sấy liên tục (TN8)
118

16. xvi
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Trang
Hình 1.1. Phân loại các phương pháp sấy 3
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt 5
Hình 1.3. Sơ đồ cấu tạo một hệ thống sấy lạnh bằng bơm nhiệt 6
Hình 1.4. Các hình thức sấy gián đoạn 21
Hình 2.1. Lược đồ cấu trúc phương pháp và nội dung nghiên cứu của
đề tài
27
Hình 2.2. Sơ đồ cách mắc các dàn bay hơi 30
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi hai dàn bay
hơi mắc song song
31
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bơm nhiệt hoạt động theo chu
trình lạnh hai nhiệt độ sôi
33
Hình 2.5. Cấu trúc mô hình hệ thống sấy hai nhiệt độ sôi 34
Hình 2.6. Hình ảnh mô hình hệ thống sấy 35
Hình 2.7. Vị trí đặt các đầu đo thông số TNS 37
Hình 2.8. Vị trí đặt các đầu đo thông số TNS trong một mặt đo 38
Hình 2.9. Cấu tạo củ khoai tây 38
Hình 2.10. Chu trình sấy lý thuyết quá trình sấy lạnh bằng bơm nhiệt 48
Hình 3.1. Lược đồ nút sai phân 68
Hình 4.1. Đường cong sấy khi SLT ở 700
C, 35%, 2,0 m/s. 76
Hình 4.2. Đường cong tốc độ sấy khi SLT ở 700
C, 35%, 2,0 m/s. 76
Hình 4.3. Đường cong nhiệt độ sấy khi SLT ở 700
C, 35%, 2,0 m/s. 76
Hình 4.4. Đường cong sấy khi SLT ở 600
C, 650
C và 700
C, 35%, 2,0 m/s 77
Hình 4.5. Đường cong sấy khi SLT ở 650
C, 2,0 m/s và các độ ẩm 30, 35 và 40% 78
Hình 4.6. Đường cong sấy khi SLT ở 650
C, 30% và các tốc độ 1, 2 và 3 m/s 78
Hình 4.7. Lượng nhiệt hấp thụ bởi VLS theo thời gian trong QTS liên
tục ở 650
C, 30% và 2 m/s
79

17. xvii
Hình 4.8. Đường cong sấy khi SLT ở 300
C, 35%, 1,8 m/s 82
Hình 4.9. Đường cong tốc độ sấy khi SLT ở ở 300
C, 35%, 1,8 m/s. 83
Hình 4.10. Đường cong nhiệt độ sấy khi SLT ở 300
C, 35%, 1,8 m/s. 83
Hình 4.11. Sự thay đổi nhiệt độ TB VLS theo thời gian khi SLT ở 300
C, 35%,
1,8 m/s.
84
Hình 4.12. Sự thay đổi nhiệt độ trung bình VLS trong giai đoạn đầu quá
trình sấy khi sấy liên tục ở 300
C, 35%, 1,8 m/s.
84
Hình 4.13. Đường cong nhiệt độ bề mặt và tâm VLS khi SLT ở 300
C,
35%, 1,8 m/s.
85
Hình 4.14. Đường cong độ chứa ẩm bề mặt và tâm VLS khi sấy liên tục ở
300
C, 35%, 1,8 m/s.
86
Hình 4.15. Đường cong sấy khi SLT ở 250
C, 300
C và 350
C, 35%, 1,8 m/s. 86
Hình 4.16. Đường cong sấy khi SLT ở 300
C, 1,8 m/s và các độ ẩm 25%,
30% và 35%.
87
Hình 4.17. Đường cong sấy khi SLT ở 300
C, 30% và các tốc độ 0,2 m/s, 0,6
m/s, 1,0 m/s.
87
Hình 4.18. Đường cong sấy khi sấy liên tục ở 300
C, 30% và các tốc độ
1,0 m/s, 1,4 m/s, 1,8 m/s và 2,2 m/s.
88
Hình 4.19. Ảnh hưởng của nhiệt độ ban đầu VLS đến QTS khi sấy ở
350
C, 25% và 1,2 m/s.
89
Hình 4.20. Sự thay đổi nhiệt lượng VLS hấp thụ theo thời gian trong QTS
liên tục ở 300
C, 30% và 1,4 m/s
89
Hình 5.1. Sự thay đổi nhiệt cấp cho VLS trong QTS bơm nhiệt với 05
buồng sấy, 01 máy nén, chế độ SLT ở 300
C, 30% và 1,4 m/s.
97
Hình 5.2. Sơ đồ cấp nhiệt ủ. 97
Hình 5.3. Sơ đồ cấp nhiệt cho VLS với nhiệt độ TNS thay đổi theo quy luật
bậc thang.
98
Hình 5.4. Sơ đồ cấp nhiệt cho VLS với nhiệt độ TNS thay đổi theo một số
quy luật nhất định.
98
Hình 5.5. Đường cong sấy khi sấy theo các chế độ cấp nhiệt trong bảng 5.1 100

18. xviii
Hình 5.6. Đường cong tốc độ sấy khi sấy theo chế độ B1 (bảng 5.1). 100
Hình 5.7. Đường cong nhiệt độ sấy khi sấy theo chế độ B1 (bảng 5.1). 100
Hình 5.8. Biến thiên độ chứa ẩm trung bình, độ chứa ẩm bề mặt và độ chứa
ẩm tâm VLS khi sấy theo chế độ B3 (bảng 5.1).
101
Hình 5.9. Biến thiên nhiệt độ trung bình, nhiệt độ bề mặt và nhiệt độ
tâm VLS khi sấy theo chế độ cấp nhiệt B3 (bảng 5.1).
102
Hình 5.10. Đường cong sấy khi sấy theo các chế độ cấp nhiệt trong bảng 5.3. 103
Hình 5.11. Đường cong tốc độ sấy khi theo chế độ C3 (bảng 5.3). 103
Hình 5.12. Biến thiên nhiệt độ trung bình VLS theo thời gian khi sấy theo chế
độ C3 (bảng 5.3).
104
Hình 5.13. Sự thay đổi lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS "hình chữ
nhật" C3 (bảng 5.3) theo thời gian sấy.
105
Hình 5.14. Đường cong sấy khi sấy theo sơ đồ nhiệt độ TNS giảm dần D1
theo bậc có so sánh với chế độ sấy liên tục D3 (bảng 5.5).
106
Hình 5.15. Đường cong nhiệt độ sấy khi sấy theo sơ đồ nhiệt độ TNS
giảm dần theo bậc D1 (bảng 5.5).
106
Hình 6.1. Đường cong sấy ở chế độ sấy 28,80
C, độ ẩm 43,7%, tốc độ
3,8 m/s (Thí nghiệm 1 - TN1)
112
Hình 6.2. Biến thiên khối lượng VLS theo thời gian trong thí nghiệm 1. 113
Hình 6.3. Đường cong sấy ở chế độ sấy gián đoạn (bgđ = 2/3) 28,80
C,
độ ẩm 37,3%, tốc độ 3,8 m/s (Thí nghiệm 2 - TN2)
113
Hình 6.4. Biến thiên khối lượng VLS theo thời gian trong thí nghiệm 2. 114
Hình 6.5. Đường cong sấy ở chế độ sấy 34,40
C, độ ẩm 40%, tốc độ 1,1
m/s (Thí nghiệm 3 - TN3)
115
Hình 6.6. Biến thiên khối lượng VLS theo thời gian trong thí nghiệm 3. 115
Hình 6.7. Biến thiên lượng tách ẩm riêng trong các thí nghiệm 1 đến 3. 116
Hình 6.8. Biến thiên nhiệt độ TNS trong thí nghiệm SGĐ theo phương
thức kết hợp (TN9).
119

19. 1
MỞ ĐẦU
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt đã được biết đến với ưu điểm nổi bật là tiết kiệm
năng lượng và chất lượng sản phẩm sấy nhưng động học quá trình sấy ở phạm vi nhiệt độ
thấp trong hệ thống này còn đặt ra nhiều khía cạnh cần phải giải quyết. Ở khía cạnh năng
lượng thì vẫn còn một điểm cố hữu trong quá trình vận hành hệ thống sấy theo mẻ là phải
thải một lượng nhiệt nhất định ra môi trường trong nửa cuối quá trình sấy thông qua dàn
ngưng phụ, trong khi đó trong giai đoạn đầu quá trình sấy thường phải dùng đến điện trở
đốt nóng. Việc nghiên cứu quá trình truyền nhiệt và truyền chất, động học quá trình sấy
trong hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt sẽ tạo sự thuận lợi cho việc tính toán, thiết kế hệ
thống sấy, giảm thiểu chi phí và tiếp tục nâng cao hiệu quả năng lượng, đặc biệt trong tình
hình vấn đề tiết kiệm năng lượng đang được đặt lên hàng đầu không chỉ ở Việt Nam mà
trên cả thế giới.
Bên cạnh đó, hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt vận hành chủ yếu dựa trên nguyên lý
của hệ thống lạnh do đó việc nâng cao hiệu quả của hệ thống này liên quan chặt chẽ đến
việc nâng cao hiệu quả chu trình lạnh cũng như cách thức vận hành quá trình sấy dựa trên
đặc điểm động học sấy.
Chính vì vậy việc nghiên cứu đề tài “Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền
chất trong hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt và các giải pháp tiết kiệm năng lượng”
là thực sự cần thiết trong tình hình hiện nay, đặc biệt là tại Việt Nam.
MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Mục đích của luận án là: Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất trong kỹ thuật
sấy, từ đó làm cơ sở nghiên cứu động học quá trình sấy bằng bơm nhiệt, nghiên cứu mức
độ tiêu hao năng lượng của quá trình sấy, nghiên cứu các phương án sử dụng tới mức tối
đa năng lượng tạo ra bởi bơm nhiệt.
Để đạt được những mục đích đó, luận án tập trung vào những nội dung sau:
- Nghiên cứu quá trình dịch chuyển nhiệt ẩm đồng thời trong và trên bề mặt vật liệu
sấy để nghiên cứu động học quá trình sấy lạnh dùng bơm nhiệt cũng như các phương pháp
xác định thời gian sấy.
- Nghiên cứu động học quá trình sấy liên tục và sấy gián đoạn theo mẻ trong hệ thống

20. 2
sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt.
- Nghiên cứu thực nghiệm quá trình sấy liên tục và sấy gián đoạn theo mẻ trên hệ
thống sấy lạnh bằng bơm nhiệt vận hành theo chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi.
- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy, từ đó tìm ra một chế độ sấy lạnh
phù hợp cho một nông sản cụ thể là khoai tây lát mỏng.
- Nghiên cứu các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong hệ thống sấy lạnh bằng bơm nhiệt.
ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Hệ thống sấy bằng bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi, đối tượng sấy là khoai tây thái lát mỏng.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Phương pháp nghiên cứu trong luận án là phương pháp lý thuyết kết hợp thực nghiệm.
Về phương pháp nghiên cứu lý thuyết, nội dung nghiên cứu chính gồm hai phần. Thứ
nhất là nghiên cứu một số vấn đề về quá trình dịch chuyển nhiệt ẩm trong lòng vật liệu sấy,
từ đó lựa chọn mô hình toán học để giải quyết vấn đề động học, lượng nhiệt hấp thụ bởi vật
liệu sấy và các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy lạnh. Thứ hai là phát triển phương pháp
xác định thời gian sấy của Trần Văn Phú (2008), áp dụng cho trường hợp sấy lạnh.
Về mặt nghiên cứu thực nghiệm, nội dung chính là xây dựng mô hình thực nghiệm,
thực nghiệm kiểm chứng các kết quả lý thuyết, các phương pháp tiết kiệm năng lượng, ...
Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Về mặt lý thuyết, luận án góp phần làm sáng tỏ cơ chế dịch chuyển nhiệt ẩm trong
lòng cũng như tại bề mặt vật liệu sấy, nghiên cứu động học quá trình sấy lạnh bằng mô
hình toán học trên cơ sở bỏ qua ảnh hưởng của dòng nhiệt đến dòng ẩm.
Bên cạnh đó, luận án tiếp tục phát triển phương pháp lý thuyết xác định thời gian sấy
của Trần Văn Phú (2008) áp dụng cho kỹ thuật sấy lạnh bằng việc xây dựng mối quan hệ
giữa hệ số trao đổi ẩm và hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tại bề mặt vật liệu sấy dạng tấm
phẳng.
Về mặt thực tiễn, luận án bổ sung thêm các phương án tiết kiệm năng lượng: với kỹ
thuật sấy gián đoạn, với kỹ thuật một máy nén phục vụ nhiều buồng sấy và các khuyến
nghị nhằm tiết kiệm năng lượng khi sấy lạnh.
Những kết quả nghiên cứu của luận án sẽ góp thêm cho các tài liệu về công nghệ sấy,
tạo cơ sở cho việc nghiên cứu ứng dụng của một số kỹ thuật còn tương đối mới như sấy
gián đoạn, bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi nhằm nâng cao hiệu quả năng lượng, cũng như thuận
lợi cho việc tính toán và thiết kế thiết bị sấy.

21. 3
Chương 1.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM
BẰNG HỆ THỐNG SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
1.1. ĐỊNH NGHĨA VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP SẤY LẠNH
1.1.1. Định nghĩa
Sấy là quá trình tách hơi ẩm (hơi nước và nước) ra khỏi vật liệu sấy (VLS),
trong đó VLS nhận năng lượng để ẩm từ trong lòng VLS dịch chuyển ra bề mặt và
đi vào môi trường tác nhân sấy (TNS). Quá trình sấy (QTS) là quá trình truyền
nhiệt, truyền chất xảy ra đồng thời. Trao đổi nhiệt ẩm giữa bề mặt VLS với TNS là
quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm đối lưu liên hợp [28].
Theo [28], dựa vào trạng thái TNS hay cách tạo ra động lực quá trình dịch
chuyển nhiệt - ẩm, người ta phân ra thành hai phương pháp sấy (PPS), đó là phương
pháp sấy lạnh và sấy nóng (hình 1.1).
Hình 1.1. Phân loại các phương pháp sấy
1.1.2. Các phương pháp sấy lạnh
Khác với PPS nóng, trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh phân
áp suất hơi nước giữa VLS và TNS bằng cách giảm phân áp suất trong TNS nhờ
giảm lượng chứa ẩm [28]. Ở PPS lạnh, nhiệt độ bề mặt ngoài của vật nhỏ hơn nhiệt
độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với không khí có độ ẩm và phân áp suất hơi
nước nhỏ nên lớp bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía bên trong vật.
Sấy
Sấy nóng Sấy lạnh
HTS
đối
lưu
HTS
tiếp
xúc
HTS
t <0 C
0
HTS
t >0 C
0
HTS
bức
xạ
HTS
thăng
hoa
HTS
chân
không
Máy
hút ẩm
và
máy
lạnh
Bơm
nhiệt
nén
hơi

22. 4
Nói khác đi, ở đây gradient nhiệt độ và gradient áp suất có cùng dấu nên gradient
nhiệt độ không kìm hãm quá trình dịch chuyển ẩm như khi sấy nóng mà ngược lại,
nó có tác dụng làm tăng cường quá trình dịch chuyển ẩm trong lòng vật ra ngoài để
bay hơi làm khô vật [28], [40]. Khi đó ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ
bề mặt vào môi trường có thể trên, dưới nhiệt độ môi trường hoặc cũng có thể nhỏ
hơn 0o
C. Theo PPS lạnh, có thể chia HTS lạnh thành hai loại [16], [21], [28]:
1. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 00
C
a) Hệ thống sấy thăng hoa: Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi VLS trực
tiếp từ trạng thái rắn biến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa. Để tạo ra
quá trình thăng hoa, VLS phải được làm lạnh dưới điểm ba thể, nghĩa là nhiệt độ
của vật liệu t < 00
C và áp suất TNS bao quanh vật p < 610 Pa. Từ đó, VLS nhận
được nhiệt lượng để ẩm từ trạng thái rắn thăng hoa thành thể khí và vào môi trường.
Như vậy, trong các HTS thăng hoa, phải tạo được chân không xung quanh VLS và
làm lạnh vật xuống dưới 0o
C. Sấy thăng hoa thường được ứng dụng để sấy sản
phẩm quý, dễ biến chất do nhiệt như: máu, vác xin, thực phẩm quý hiếm.
b) HTS chân không: PPS chân không là phương pháp tạo ra môi trường gần
như chân không trong buồng sấy (BS). Khi nhận được nhiệt lượng, các phần tử
nước trong VLS ở thể lỏng chuyển sang thể hơi và đi vào môi trường. PPS này có
ưu điểm là giữ được chất lượng sản phẩm, đảm bảo điều kiện vệ sinh nhưng hệ
thống có chi phí đầu tư lớn, vận hành phức tạp. Phương pháp sấy chân không
thường chỉ sấy các loại VLS là các sản phẩm quý, dễ biến chất.
2. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 00
C
a) Phương pháp sử dụng máy hút ẩm chuyên dùng kết hợp với máy lạnh
Đầu tiên, TNS là không khí được khử ẩm khi cho đi qua bánh xe hút ẩm của
máy hút ẩm hấp phụ. Sau khi khử ẩm, TNS có nhiệt độ rất cao nên đưa qua dàn lạnh
làm mát xuống nhiệt độ yêu cầu để đưa vào BS trong vòng tuần hoàn kín. Ưu điểm
của PPS này là năng suất hút ẩm khá lớn, khả năng giữ chất lượng, hàm lượng dinh
dưỡng sản phẩm cũng khá tốt (phụ thuộc vào nhiệt độ sấy). Nhược điểm là chi phí
đầu tư ban đầu cao do phải sử dụng cả máy hút ẩm chuyên dùng và máy lạnh, chất
hút ẩm phải thay thế theo định kỳ, vận hành khá phức tạp nên chi phí vận hành lớn,
điện năng tiêu tốn lớn do cần chạy máy lạnh và đốt nóng dây điện trở để hoàn
nguyên chất hấp phụ, lắp đặt phức tạp, khó điều chỉnh các thông số để phù hợp với
công nghệ, trong môi trường có bụi, cần dừng máy để vệ sinh chất hấp phụ gây khó
khăn, tốn kém, hiệu quả không cao.

23. 5
b) Phương pháp dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp
Trong phương pháp này, người ta chỉ dùng một hệ thống bơm nhiệt để tạo ra
môi trường sấy. TNS là không khí trước hết được đưa qua dàn lạnh để khử ẩm sau
đó qua dàn ngưng để tăng nhiệt độ rồi đưa vào BS trong vòng tuần hoàn kín. Nhiệt
độ môi trường sấy có thể điều chỉnh trong giới hạn khá rộng từ nhiệt độ xấp xỉ môi
trường đến nhiệt độ âm, tùy thuộc yêu cầu của VLS. Khác với các thiết bị nhiệt lạnh
khác, khi sử dụng bơm nhiệt để sấy khô và hút ẩm thì cả dàn nóng và dàn lạnh đều
được sử dụng hữu ích nên năng lượng tiêu thụ ở đây có thể được tận dụng đến mức
cao nhất mà nhiệt độ không khí lại có thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ môi trường
hoặc thấp hơn.
PPS này có ưu điểm: khả năng giữ màu sắc, mùi vị và vitamin của VLS đều tốt,
chất lượng VLS tốt; tiết kiệm năng lượng nhờ sử dụng cả năng lượng dàn nóng và
dàn lạnh, hiệu quả sử dụng nhiệt cao; bảo vệ môi trường, tuổi thọ thiết bị cao, vận
hành an toàn; có khả năng điều chỉnh nhiệt độ TNS tùy thuộc vào yêu cầu và khả
năng chịu nhiệt của từng loại sản phẩm nhờ thay đổi công suất nhiệt của dàn ngưng
trong, công suất khá lớn, chi phí đầu tư hệ thống thấp hơn so với các phương pháp
sấy lạnh khác, vận hành đơn giản. Nhược điểm của PPS này là phải có giải pháp xả
băng sau một thời gian làm việc. Nhưng có thể giải quyết nhược điểm này bằng kỹ
thuật sấy gián đoạn được nêu trong mục 1.6.
1.2. HỆ THỐNG SẤY LẠNH DÙNG BƠM NHIỆT
1.2.1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống
Dµn bay h¬i Dµn ngng trong
TiÕt lu
M¸y nÐn
Dµn ngng ngoµi
By pass
Kh«ng gian sÊy
Qu¹t
Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt
Hình 1.2 giới thiệu sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt có sử
-------- : Vòng tuần hoàn
TNS (không khí)
_____ : Chu trình
của môi chất lạnh

24. 6
dụng cả dàn bay hơi và ngưng tụ. Năng suất lạnh ở dàn bay hơi để tách ẩm ra khỏi
TNS và năng suất nhiệt ở dàn ngưng tụ để gia nhiệt cho TNS [16], [21].
Về cơ bản, chu trình của môi chất là chu trình lạnh một cấp nén bình thường,
với đặc điểm cần lưu ý là có đến 2 dàn ngưng tụ. Dàn ngưng tụ trong nhằm mục
đích đốt nóng cho TNS tuy nhiên nó không tận dụng được hết lượng nhiệt Qk của hệ
thống. Lượng nhiệt thừa còn lại phải đưa ra dàn ngưng ngoài [16].
1.2.2. Các quá trình nhiệt động của TNS trong HTS lạnh dùng bơm nhiệt
Các quá trình nhiệt động của TNS trong hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt được
biểu diễn trên hình 1.3 [16], [28], trong đó:
- Quá trình 2-3: TNS được đi qua dàn lạnh thực hiện quá trình làm lạnh - khử ẩm.
- Quá trình 3-1: TNS đi qua dàn nóng thực hiện quá trình đốt nóng đẳng ẩm.
- Quá trình 1-2: TNS trao đổi nhiệt ẩm với VLS. Quá trình này có thể diễn ra
với đặc điểm đẳng nhiệt (1"-2), đoạn nhiệt (1'-2) hoặc nhiệt độ giảm dần (1-2).

d, kg/kgkk
I, kJ/kgkk
2
3
1
d2
d1
t1
1'
1"
Hình 1.3. Sơ đồ cấu tạo một hệ thống sấy lạnh bằng bơm nhiệt [16]
Cũng như HTS dùng máy hút ẩm và máy lạnh, HTS bơm nhiệt nén hơi cũng có
hai giai đoạn xử lý TNS trước khi đưa vào buồng sấy. Đầu tiên, TNS được khử ẩm
bằng dàn lạnh nhờ năng suất lạnh Q0, nhiệt độ dàn lạnh được thiết kế sẽ nhỏ hơn
nhiệt độ đọng sương của TNS (không khí), do vậy lượng ẩm trong không khí được
tách ra dưới dạng lỏng. Thêm vào đó, nhiệt độ của TNS cũng được hạ xuống rất
thấp để phù hợp với công nghệ sấy nhiệt độ thấp, tuy nhiên thì độ ẩm tương đối của
TNS lại rất cao (từ 90% đến 95%), không đủ điều kiện để đưa vào sấy. Do đó phải
có giai đoạn 2, là TNS được đốt nóng để giảm độ ẩm tương đối bằng dàn ngưng tụ
nhờ năng suất nhiệt Qk. Độ ẩm sau giai đoạn này có thể giảm xuống tới 20% [16].

25. 7
1.3. TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG SẤY LẠNH BẰNG
BƠM NHIỆT
1.3.1. Sơ lược về vấn đề tiết kiệm năng lượng trong hệ thống sấy
Theo Mujumdar trong tài liệu [73], sấy là một công đoạn phổ biến trong hầu hết
các lĩnh vực kỹ thuật, tiêu thụ 10% 15% tổng năng lượng của các nước đang phát

triển. Do chi phí năng lượng liên tục tăng trong những năm gần đây nên chi phí vận
hành các hệ thống có mặt của khâu sấy cũng tăng rất nhanh, kèm theo đó là phát
thải khí nhà kính cùng với các tác động không tốt đến môi trường [16], [20], [73].
Do vậy, việc nghiên cứu ứng dụng các kỹ thuật nhằm giảm tiêu hao năng lượng là
một việc làm hết sức cấn thiết. Cũng theo Mujumdar [73], các thiết bị sấy (TBS) đối
lưu hiện được sử dụng tương đối phổ biến. Do vậy, việc nghiên cứu các giải pháp
tiết kiệm năng lượng trong các TBS đối lưu thực sự có ý nghĩa thực tiễn trong thời
điểm hiện nay.
Theo các tác giả trong [73], [72] những lý do làm giảm hiệu quả năng lượng của các
TBS đối lưu gồm:
- hiệu quả tiếp xúc thấp giữa VLS và TNS;
- tổn thất năng lượng do khí xả;
- tổn thất nhiệt do cách nhiệt chưa tốt;
- động học QTS chưa được nghiên cứu đầy đủ.
Cũng theo các tác giả này, các biện pháp cải thiện hiệu quả năng lượng của HTS
đối lưu bao gồm:
- thu hồi nhiệt của TNS sau khi đi qua BS,
- sử dụng VLS có biến đổi pha,
- phát triển các mô hình toán học QTS,
- sử dụng các PPS tiết kiệm năng lượng.
Hiệu quả năng lượng ở đây được định nghĩa là tỉ số giữa lượng nhiệt sử dụng để
bay hơi ẩm và tổng lượng nhiệt cung cấp cho TBS.
Theo Mujumdar [73], các phương pháp sấy tiết kiệm năng lượng gồm có:
- Phương pháp sấy tiếp xúc hoặc cấp nhiệt thể tích.
- Sấy gián đoạn, sấy nhiều giai đoạn để tối ưu hóa lượng nhiệt cấp cho VLS.
- Sử dụng năng lượng tái tạo (ví dụ năng lượng mặt trời, phong năng ...).

26. 8
- Sử dụng biện pháp cơ khí như lọc, vắt ly tâm, ... để giảm bớt ẩm mà không
làm biến đổi pha VLS trước khi đưa vào sấy.
- Sử dụng dung môi có nhiệt ẩn hóa hơi thấp để thay thế và đẩy ẩm ra khỏi VLS.
- Sử dụng kỹ thuật sấy kết hợp hoặc sấy nhiều giai đoạn.
1.3.2. Tiết kiệm năng lượng với sấy lạnh bằng bơm nhiệt
Theo các nội dung đã nêu ở mục 1.3.1 nói trên, HTS lạnh bằng bơm nhiệt hoạt
động theo nguyên lý sấy đối lưu tuần hoàn kín, do đó, tổn thất khí xả là rất nhỏ. Bên
cạnh đó, độ chênh nhiệt độ của TNS và môi trường bên ngoài là tương đối nhỏ do vậy
cùng với cách nhiệt của HTS là tương đối tốt nên tổn thất nhiệt là do cách nhiệt nhỏ.
Do HTS lạnh bằng bơm nhiệt hoạt động theo nguyên lý tuần hoàn kín nên để
cải thiện hiệu quả năng lượng, theo mục 1.3.1 có thể áp dụng các biện pháp là phát
triển các mô hình toán học và sử dụng các phương pháp sấy tiết kiệm năng lượng.
Về phương pháp sấy tiết kiệm năng lượng thì có thể tập trung vào phương pháp sấy
gián đoạn, đây là phương pháp có lịch sử nghiên cứu và ứng dụng chưa dài [94].
Về khía cạnh phát triển các mô hình toán học cần dựa trên các quá trình truyền
nhiệt truyền chất (TNTC) nói chung trong kỹ thuật sấy, từ đó nghiên cứu tìm ra mô
hình toán học phù hợp với quá trình sấy lạnh. Tiếp đó, về mặt lý thuyết, khi có mô hình
toán học phù hợp thì sẽ xác định được nhu cầu năng lượng của vật liệu trong QTS.
Với HTS lạnh, khi bỏ qua tổn thất, điện năng cấp vào cùng với nhiệt lượng từ
nguồn lạnh tức dàn bay hơi (ngưng tụ ẩm thoát ra từ VLS) sẽ được chuyển hóa thành
nhiệt năng cấp cho VLS thông qua TNS [16]. Từ đồ thị động học QTS, ta sẽ xác định
được lượng nhiệt VLS hấp thụ trong QTS. Lượng nhiệt này sẽ được sử dụng chủ yếu
để hóa hơi ẩm dạng lỏng trong vật liệu thành ẩm dạng hơi, phá vỡ liên kết ẩm ở nửa
cuối QTS, dịch chuyển ẩm và một phần làm thay đổi nội năng VLS [28]. Trong phạm
vi sấy lạnh, nhiệt độ TNS chênh lệch không lớn với nhiệt độ môi trường xung quanh
nên nhiệt lượng VLS hấp thụ chủ yếu để hóa hơi ẩm lỏng. Do vậy, việc xác định lượng
nhiệt này (và hệ quả là các giải pháp tiết kiệm năng lượng) càng trở nên có ý nghĩa.
Động học QTS có thể được xây dựng từ thực nghiệm hoặc từ nghiệm của chính
mô hình toán học mô tả QTS. Do vậy, về mặt lý thuyết, việc nghiên cứu mô hình toán
học này cũng gián tiếp đem lại các giải pháp tiết kiệm năng lượng trong HTS lạnh.

27. 9
1.4. MỘT SỐ VẤN ĐỀ CĂN BẢN TRONG KỸ THUẬT SẤY
1.4.1. Ảnh hưởng tương hỗ giữa dẫn nhiệt và dẫn ẩm trong vật liệu
Theo Trần Văn Phú [27], quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm riêng rẽ là những
quá trình không thuận nghịch. Nhiệt động học các quá trình không thuận nghịch [27],
[25], [128] chứng minh rằng lực nhiệt động – động lực gây ra dòng dịch chuyển trong
dẫn nhiệt là (1/T) chứ không phải gradT và trong quá trình khuếch tán ẩm là (1/
  ).
Trong đó T là nhiệt độ tuyệt đối và  là thế dẫn ẩm. Khi đó, ứng dụng quan hệ tuyến
tính Ondager [27], cho hiện tượng dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm liên hợp ta được:

















1
L
T
1
L
J 12
11
1 (1.1)

















1
L
T
1
L
J 22
21
2 (1.2)
Trong đó, J1, J2 tương ứng là dòng nhiệt và dòng ẩm. Lij (i,j = 1,2) gọi chung là
các hệ số hiện tượng hay hệ số dẫn thế. L11 là hệ số dẫn thế chính của hiện tượng
dẫn nhiệt. Tương tự, hệ số L22 là hệ số dẫn thế chính của hiện tượng khuếch tán ẩm.
Các hệ số L12 và L21 là các hệ số dẫn thế chéo trong đó L12 là hệ số tính đến ảnh
hưởng của quá trình khuếch tán ẩm đến quá trình dẫn nhiệt và ngược lại, L21 là hệ
số tính đến ảnh hưởng của hiện tượng dẫn nhiệt đến hiện tượng khuếch tán ẩm. Các
hệ số chéo này thỏa mãn quan hệ đối xứng Ondager [27]:
L12 = L21 (1.3)
Các quan hệ Ondager (1.1) – (1.2) có thể được viết lại dưới dạng:
1 11 12
2 2
1 1
J L T L
T
   
    
   

   
(1.4)
2 21 22
2 2
1 1
J L T L
T
   
    
   

   
(1.5)
Đặt: 11 11 22 22
2 2
1 1
L , L
T
   
   
   
   
(1.6a)
21 21 12 12
2 2
1 1
L , L
T
   
   
   

   
(1.6b)
Ta được: 1 11 12
J T
      (1.7)
2 21 22
J T
      (1.8)
Như Trần Văn Phú [28] đã chỉ rõ nếu ẩm dung riêng Cm là hằng số thì thế dẫn
ẩm  có thể biểu diễn tuyến tính theo độ chứa ẩm dạng = (1/C
 m).M. Khi đó các

28. 10
quan hệ (1.7), (1.8) sẽ được viết lại đối với nhiệt độ và độ chứa ẩm dạng:
M
.
C
t
J
m
12
12
1 







 




 (1.9)
M
.
C
t
J
m
22
21
2 












 (1.10)
Chú ý rằng các hệ số 12
 và 21
 cũng là các hệ số tính đến các ảnh hưởng tương
hỗ nhưng nó không thỏa mãn quan hệ đối xứng. Tuy nhiên, các hệ số 12
 và 21
 có
một ràng buộc thể hiện bởi đẳng thức [27]:
2
21 12 2
T
 

    
 
hay
2
12 21 2
T
 
    

 
(1.11)
Trong kỹ thuật thực nghiệm [6], [27] công thức (1.11) cho phép chúng ta xác định
hệ số dẫn thế chéo này khi biết trường nhiệt độ, trường độ ẩm và hệ số dẫn chéo kia.
Trên cơ sở định luật 2 của nhiệt động học người ta cũng chứng minh được rằng
[27] ảnh hưởng tương hỗ giữa quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm thể hiện qua
các hệ số L12 và L21 bao giờ cũng chỉ là ảnh hưởng phụ vì các hệ số này luôn luôn
thỏa mãn bất đẳng thức:
12 21 11 22
L L L L
 (1.12)
Trong trường hợp dẫn nhiệt đẳng ẩm và khuếch tán ẩm đẳng nhiệt hay nói cách
khác khi bỏ qua ảnh hưởng qua lại giữa dẫn nhiệt và dẫn ẩm ta có 12 21
L L 0
  và do
đó 12 21 0
    . Khi đó quan hệ Ondager (1.1) – (1.2) trở thành:
t
T
T
L
T
1
L
J 11
2
11
11
1 



















 (1.13)
M
.
L
1
L
J 22
2
22
22
2 






















 (1.14)
Công thức (1.13) chính là định luật Fourier về dẫn nhiệt và (1.14) chính là định
luật Fick về khuếch tán ẩm.
Theo [27], [28], mô hình toán học mô tả QTS được xây dựng từ các mối quan hệ
(1.1) và (1.2) hoặc (1.7) và (1.8). Tuy vậy, vấn đề khó khăn khi sử dụng mô hình toán
học theo hướng nghiên cứu này là sự phức tạp trong việc xác định các hệ số Lij hoặc ij.
Không ít tác giả khi nghiên cứu QTS đã sử dụng mô hình toán học chỉ ở dạng
(1.14), tức là chỉ sử dụng định luật Fick, điển hình là Crank (1975) [50], [110], ...
Việc bỏ qua ảnh hưởng tương hỗ giữa dẫn nhiệt và dẫn ẩm có một điểm thuận lợi là

29. 11
đơn giản nhưng sẽ dẫn đến sai số nhất định và đương nhiên là không phản ánh hết
được bản chất của truyền nhiệt và truyền chất trong kỹ thuật sấy lạnh.
Tuy vậy, nếu sử dụng mô hình toán học QTS có kể đến ảnh hưởng tương hỗ
này thì lại gặp khó khăn liên quan đến Lij hoặc ij vừa nêu trên.
1.4.2. Vấn đề xác định thời gian sấy
Theo Trần Văn Phú [28], một trong những thông số quan trọng khi tính toán
thiết kế thiết bị sấy là thời gian sấy (TGS). Nó là thông số công nghệ cần phải xác
định một cách chính xác nhằm tối ưu về mặt công nghệ, từ đó giảm được chi phí
vận hành cho quá trình và tăng khả năng tiết kiệm năng lượng cho thiết bị. Thông
thường TGS được xác định theo ba phương pháp lớn:
a) Nếu bài toán TNTC trong VLS với các điều kiện
Phương pháp lý thuyết:
biên khác nhau ứng với các loại TBS khác nhau và chế độ sấy khác nhau giải được
bằng giải tích, nghĩa là ta tìm được phân bố độ ẩm theo không gian và theo thời gian
thì ta tìm được quan hệ giữa độ ẩm trung bình với TGS. Nếu độ ẩm trung bình cuối
QTS được cho bởi yêu cầu công nghệ thì từ quan hệ độ ẩm cân bằng chúng ta có thể
xác định được TGS. Tuy nhiên, do tính chất phức tạp của bài toán, phương pháp lý
thuyết chưa có những ứng dụng cụ thể.
b) Phương pháp này dựa trên
Phương pháp nửa lý thuyết nửa thực nghiệm:
những kết quả nghiên cứu giải tích đã được đơn giản nhờ những giả thiết trên cơ sở
phân tích động học QTS và sau đó kết hợp với số liệu thí nghiệm để tìm ra một biểu
thức tường minh cho phép xác định TGS trong những trường hợp cụ thể nào đó.
c) Phương pháp này dựa trên số liệu thí nghiệm
Phương pháp thực nghiệm:
trong phòng thí nghiệm cho một VLS cụ thể với một TBS và chế độ sấy cụ thể. Đây
là một phương pháp ưa dùng.
Có một số phương pháp được sử dụng phổ biến để tính toán TGS được nêu
trong [4], [22], [28], [29]. Phương pháp Luikov kết hợp chặt chẽ giữa những nghiên
cứu lý thuyết và động học QTS trên cơ sở chia QTS làm hai giai đoạn: giai đoạn tốc
độ sấy không đổi và giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Do đó, nếu bỏ qua giai đoạn đốt
nóng thì TGS là tổng của hai giai đoạn này. Theo phương pháp G. K. Phylonhenko,
tỷ số giữa tốc độ sấy giảm dần và tốc độ sấy trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi
được biểu diễn chung cho cả QTS. Tại Việt Nam, tác giả Lê Văn Bảnh [1] đã tiến
hành nghiên cứu thực nghiệm QTS thóc có hồi lưu một phần khí thải và đề xuất
công thức thực nghiệm để tính TGS ở dạng:
cb
0
cb
M
M
M
M


= exp(-k.n
) (1.15)

30. 12
trong đó hệ số thực nghiệm k và n là hàm của nhiệt độ TNS và độ ẩm ban đầu
của VLS. Dễ dàng nhận thấy rằng, công thức này cũng gần giống các mô hình tính
toán TGS của Lewis và Page [55] được nhiều tác giả trên thế giới sử dụng.
1.4.3. Về một phương pháp mới xác định thời gian sấy
Theo Trần Văn Phú [30], [31], phương pháp mới xác định TGS được xây dựng
dựa trên sự tương tự giữa lượng nhiệt vật sấy nhận được và lượng ẩm cần bay hơi
Q(0, )/Q(0, ) W(0, )/W(0, ). Tính tương tự giữa quá trình dẫn nhiệt và quá
   
trình khuếch tán phân tử riêng rẽ đã được biết từ lâu qua định luật Fourier và định
luật Fick. Từ hai định luật này bằng nhiều phương pháp khác nhau, chẳng hạn
phương pháp cân bằng nhiệt lượng và vật chất, thu được:
- Phương trình dẫn nhiệt thuần túy:
1
2
1
.
a 






(1.16)
- Phương trình khuếch tán ẩm thuần túy:
2
2
m
2
.
a 






(1.17)
Như vậy, về mặt toán học, quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm riêng rẽ được
biểu diễn bởi một dạng phương trình như nhau, do đó nghiệm tổng quát của trường
nhiệt độ 1 và trường thế dẫn ẩm 2 là như nhau. Chúng chỉ khác bởi hệ số dẫn nhiệt
độ a và hệ số khuếch tán ẩm am [24].
Đối với VLS, khi xem quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm ảnh hưởng lẫn nhau,
Luikov [24], [27], [128] đã thu được hệ phương trình dưới dạng không thứ nguyên:
2
2
22
1
2
21
2
2
2
2
12
1
2
11
1
1
.
K
.
K
Fo
.
K
.
K
Fo


















(1.18)
Với đại số Jordan riêng [25], hệ phương trình (1.18) với điều kiện biên loại 3 có
thể viết lại dưới dạng vectơ ma trận:
)}
Fo
,
I
(
I
{
Bi
X
)
Fo
,
I
(
)
,
(
)
0
,
X
(
K
Fo
20
10
2
















(1.19)

31. 13
trong đó các vectơ: )
Fo
,
Fo
(
Fo
),
X
,
X
(
X
),
,
( 2
1
2
1 




 và I = (1, 1) là các
ma trận vuông:
K = (Kij) với Kij cho trong phương trình (1.18).
B = (Bij) với B11 = Bi1 = Bi - tiêu chuẩn Biot về trao đổi nhiệt đối lưu.
B22 = Bi2 = Bim - tiêu chuẩn Biot về trao đổi chất.
B12 = B21 = 0.
Mô hình toán học của quá trình dẫn nhiệt và và khuếch tán liên hợp dưới dạng
vectơ ma trận trong đại số Jordan riêng có dạng dẫn nhiệt với điều kiện biên loại 3 [27].
Như vậy, khi xét đến ảnh hưởng qua lại giữa dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm trong
các vật liệu sấy với điều kiện biên loại 3, nghiệm của trường nhiệt độ không thứ
nguyên 1 và trường thế dẫn ẩm không thứ nguyên 2 cũng hoàn toàn có dáng điệu
như nhau, chúng chỉ khác nhau bởi hệ số.
Từ các nhận xét này, có thể rút ra kết luận: khi xét quá trình dẫn nhiệt và
khuếch tán riêng lẻ thể hiện bởi các phương trình (1.16), (1.17) hoặc khi xét đến ảnh
hưởng qua lại giữa hai quá trình đó trong các VLS với điều kiện biên loại 3 thì phân
bố thế dẫn ẩm có dạng như nghiệm của phương trình dẫn nhiệt thuần túy. Đây chính
là tính tương tự mà Trần Văn Phú đã sử dụng để xây dựng một phương pháp mới
xác định TGS.
Sự tương tự giữa nhiệt lượng nhận được Q(0, 



) và lượng ẩm bay hơi W(0, 



)
Từ sự tương tự giữa biểu thức tính nhiệt dung riêng khối lượng đẳng áp C1 và
ẩm dung riêng C2, có các quan hệ giữa trường dòng nhiệt q và trường nhiệt độ ,

quan hệ giữa độ chứa ẩm M và thế dẫn ẩm 2:
const
C
khi
)
,
z
,
y
,
x
(
C
d
C
)
,
z
,
y
,
x
(
q 1
1
0
1
1
1






 

(1.20)
const
C
khi
)
,
z
,
y
,
x
(
C
d
C
)
,
z
,
y
,
x
(
M 2
2
0
2
2
2






 

(1.21)
suy ra, trường dòng nhiệt q(x, y, z, ) trong bài toán dẫn nhiệt và phân bố độ
chứa ẩm M(x, y, z, ) trong bài toán khuếch tán ẩm nói riêng và khuếch tán vật chất

nói chung là những đại lượng tương tự.
Ngoài ra, độ chứa ẩm M(x, y, z, ) được định nghĩa theo biểu thức [28]:

k
a
0
dV g
g
lim
)
,
z
,
y
,
x
(
M


 (1.22)

32. 14
với dV = dx.dy.dz là thể tích phân tố hình hộp vô cùng nhỏ, trong đó có khối
lượng ẩm là ga và khối lượng vật liệu khô là gk.
Do đó, nếu gọi k là độ ẩm tuyệt đối hay độ ẩm tính theo vật liệu khô thì:
dV
)
,
z
,
y
,
x
(
M
)
(
V
k  


 (1.23)
Như chúng ta đã biết, quan hệ giữa nhiệt lượng đốt nóng vật Q(0, )/Q(0, ) đã
 
được thiết lập dưới dạng các đồ thị theo quan hệ Q(0, )/Q(0, ) = f
 1(Bi1, Fo1) nhờ
các nghiệm của bài toán đốt nóng vật đối xứng điều kiện biên loại 3 [24]. Đối với
một QTS, nếu gọi độ ẩm tuyệt đối ban đầu là k1, độ ẩm tuyệt đối khi kết thúc quá
trình sấy là k2 và độ ẩm tuyệt đối cân bằng là kcb thì rõ ràng:
)
Fo
,
Bi
(
f
)
,
0
(
W
)
,
0
(
W
2
2
2
kcb
1
k
2
k
1
k










(1.24)
Như vậy, nếu phân bố nhiệt độ và phân bố độ chứa ẩm trong VLS có dáng điệu
như nhau thì rõ ràng dưới dạng không thứ nguyên ta luôn có:
)
,
0
(
W
)
,
0
(
W
)
,
0
(
Q
)
,
0
(
Q





(1.25)
hay: )
Fo
,
Bi
(
f
)
Fo
,
Bi
(
f 2
2
2
1
1
1  (1.26)
Từ sự tương tự về mặt mô hình toán học, rút ra sự đồng nhất giữa hai quan hệ
)
,
0
(
Q
)
,
0
(
Q


và
)
,
0
(
W
)
,
0
(
W


. Trong đó quan hệ
)
,
0
(
Q
)
,
0
(
Q


đã được xác định một cách chính
xác nhờ nghiệm của bài toán dẫn nhiệt với điều kiện biên loại ba đối xứng cho 3 vật
liệu dạng cổ điển: tấm phẳng, hình trụ và hình cầu [24].
Do đó, căn cứ vào (1.25) và (1.26), ta hoàn toàn có thể tìm được thời gian sấy
theo lược đồ:
1) Xác định
)
,
0
(
W
)
,
0
(
W


theo quan hệ (1.25).
2) Từ giá trị
)
,
0
(
W
)
,
0
(
W


và Bi2 =
m
m
a
R
.

bằng đồ thị
)
,
0
(
Q
)
,
0
(
Q


đã biết trong lý
thuyết truyền nhiệt ta tìm được giá trị Fo2.
3) Thời gian sấy  được xác định bởi biểu thức định nghĩa của tiêu chuẩn Fo:
m
2
2
a
R
Fo

 (1.27)
Để ứng dụng phương pháp tương tự trên đây, cần phải biết hệ số trao đổi chất

33. 15
trên bề mặt VLS và hệ số khuếch tán ẩm trong lòng vật liệu. Trong đó hệ số trao đổi
chất tương tự như hệ số trao đổi nhiệt đối lưu và được xác định từ các phương trình
tiêu chuẩn hoặc từ các số liệu thí nghiệm.
Trong [18], các tác giả Nguyễn Đức Lợi, Trương Minh Thắng đã sử dụng
phương pháp này của Trần Văn Phú để xác định TGS quả nho. Cũng dựa theo
phương pháp này, Bùi Trung Thành [33] đã xác định TGS tầng sôi muối tinh.
Điểm cần khắc phục của phương pháp này chính là ở việc xác định hệ số trao đổi
chất tại bề mặt 2m mà hiện tại vẫn dựa chủ yếu vào các phương trình tiêu chuẩn [28]
cũng như việc phải sử dụng các đồ thị [24], [85] để tra và tính toán dẫn đến việc khó
tránh khỏi sai số.
Bên cạnh đó, theo các tài liệu [14], [55], [73] ...., đã có nhiều tác giả trên thế giới
sử dụng các mô hình của Lewis, Page, Page sửa đổi để tính toán thời gian sấy nói
chung và thời gian sấy lạnh nói riêng. Các mô hình này về bản chất đều là làm đơn giản
hóa nghiệm của Crank (1975) [50], [110], ... Và như đã nêu ở mục 1.4.1, các mô hình
này cũng chưa phản ánh hết được bản chất của quá trình TNTC trong kỹ thuật sấy.
Do vậy, việc nghiên cứu phát triển phương pháp xác định thời gian sấy trên cơ sở
sự tương tự giữa lượng nhiệt vật sấy nhận được với lượng ẩm bay hơi áp dụng cho sấy
lạnh nêu trên thực sự có ý nghĩa .
1.5. TỔNG QUAN MỘT SỐ THÀNH TỰU NGHIÊN CỨU SẤY LẠNH BẰNG
BƠM NHIỆT
Nhờ những ưu điểm vượt trội về khả năng thu hồi nhiệt, tiết kiệm năng lượng,
thân thiện với môi trường … hiện nay bơm nhiệt đã được nghiên cứu và ứng dụng
trong rất nhiều lĩnh vực sấy khác nhau [16], đặc biệt khi ứng dụng trong công nghệ
sấy nông sản thực phẩm [35], [38], [40]. Những ưu điểm nổi bật cũng như đặc thù
của sấy lạnh bằng bơm nhiệt ngày càng thúc đẩy các nhà khoa học tập trung đi vào
nghiên cứu về lĩnh vực này theo các hướng và mục tiêu khác nhau [28], [34].
1.5.1. Các nghiên cứu về sấy lạnh bằng bơm nhiệt trên thế giới
Từ rất sớm (1950) ở Mỹ người ta đã xây dựng một thí nghiệm sấy hạt nông sản
bằng bơm nhiệt [16]. Bơm nhiệt có công suất máy nén 570 W, môi chất R12, quạt
gió ly tâm công suất 380 W. Nhiệt độ sấy từ 43 ÷ 54°C, tiêu tốn năng lượng cho 1
kg ẩm ở nhiệt độ 43°C là 0,28 kWh/kg, ở 54°C là 0,27 kWh/kg.
Một số công trình nghiên cứu gần đây về sấy lạnh bằng bơm nhiệt đã công bố
được nêu trong bảng 1.1. Một số nghiên cứu của Prasertsan [103], Soponronnarit
[109], Strommen [112] cho thấy các loại rau quả và nông sản được sấy lạnh cho

34. 16
chất lượng về màu sắc và mùi vị tốt hơn so với các phương pháp sấy khác. Điều
này cũng được khẳng định trong báo cáo của Mujumdar [93]. Alves - Filho [48] đã
nghiên cứu sấy bột thực phẩm dành cho người ăn kiêng bằng phương pháp sấy lạnh
cho thấy sản phẩm sau khi sấy có sự biến tính protein rất ít cũng như giữ được hoạt
tính của enzyme so với bột thực phẩm được sản xuất bằng PPS chân không.
Bảng 1.1. Các nghiên cứu về sấy lạnh bằng bơm nhiệt gần đây
của các tác giả trên thế giới [34], [64], [81], [101]
Tác giả Quốc gia Vật liệu sấy
K. Chou, K. Chua (1998) Singapore
Nông sản và hải sản (nấm,
trái cây, rong biển, sò)
Carington (1996), Sun (1996) New Zealand Gỗ tấm
Prasertsan (1997); Prasertsan và
Saen-saby (1998)
Thailand Sấy nông sản (chuối)
Meyer và Greyvenstein (1992) Nam Phi Các loại hạt
Rossi (1992) Brazil Rau củ (hành tây)
Nassikas và cộng sự (1992) Hy Lạp Giấy báo
Strommen và Krammer (1994) Na Uy Hải sản (cá)
Chua và cộng sự (2001) Singapore Chuối
Phoungchandang và cộng sự (2003) Thailand Húng quế
Boonnattakorn (2004) Thailand Tỏi
Chottanom và Phoungchandang
(2005)
Thailand Xoài
Hawlader và cộng sự (2006) Singapore Gừng
Rahman và cộng sự (2007) Oman Thực phẩm
Alves-Filho và cộng sự (2007) Na uy Ớt
Chegini và cộng sự (2007) Iran Mận
Aktaş và cộng sự (2009) Turkey Táo
Phoungchandang (2009) Thailand Tỏi, lá dâu tằm
PPS lạnh bằng bơm nhiệt đã được sử dụng để nghiên cứu QTS thịt quả hồng xiêm
và cho thấy rằng TGS ngắn hơn so với sấy bằng không khí nóng (Jangam và cộng sự
[73]). Việc nghiên cứu sấy quả xuân đào Úc (dạng thái lát) trong HTS lạnh bơm nhiệt
đã được thực hiện bởi Sunthonvit và cộng sự [113]. Kết quả cho thấy sản phẩm sấy
(SPS) có chất lượng tốt hơn so với PPS nóng, nhất là hàm lượng lactone và terpenoid
còn lại trong SPS.
Khi nghiên cứu về QTS các vật liệu đặc biệt bằng bơm nhiệt, Phani và cộng sự

35. 17
[100] đã thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng, cân bằng ẩm để tiến hành
nghiên cứu động học sấy. Phương trình cân bằng ẩm đã xây dựng thể hiện mối quan hệ
giữa sự thay đổi độ chứa ẩm trung bình của VLS theo TGS ở dạng:
)
M
M
(
k
M
cb






trong đó k là hằng số sấy (s-1
) phụ thuộc vào nhiệt độ TNS; M là độ chứa ẩm
trung bình của VLS ở thời điểm , Mcb là độ ẩm cân bằng. Theo Trần Văn Phú [27],
[28], phương trình này chưa phản ánh đầy đủ bản chất của quá trình truyền nhiệt
truyền chất liên hợp trong kỹ thuật sấy.
Trong [86], Kohayakawa và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu sấy xoài bằng hệ
thống sấy lạnh bơm nhiệt trong đó tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc TNS,
chiều dày lát vật liệu đến hệ số khuếch tán. Phương trình toán học được sử dụng để
xác định hệ số khuếch tán hiệu quả Deff là  
M
D
t
M
eff




. Kết quả nghiên cứu thu
được là Deff = f(a, VLS) với VLS là chiều dày VLS, a là tốc độ TNS.
Trong [101], Phoungchandang đã nghiên cứu mô phỏng QTS bằng bơm nhiệt
SPS là tỏi và lá dâu tằm, kết quả thu được là sự thay đổi của độ chứa ẩm VLS theo
nhiệt độ và thời gian. Alves-Filho và cộng sự [49] đã nghiên cứu QTS thức ăn cho
vật nuôi bằng HTS bơm nhiệt kiểu tầng sôi. Công cụ toán học để nghiên cứu là mô
hình độ chứa ẩm trung bình không thứ nguyên của VLS là hàm mũ của hằng số sấy
và thời gian sấy MR = f(k, ). Khi nghiên cứu động học QTS sấy lạnh ở nhiệt độ

thấp hơn 00
C, Mukhatov và đồng sự [95] đã sử dụng mô hình toán học trên cơ sở sử
dụng định luật Fick và không xét đến sự ảnh hưởng qua lại giữa dẫn ẩm và dẫn
nhiệt trong lòng VLS. Việc tính toán thời gian sấy dựa trên mối quan hệ giữa độ
chứa ẩm trung bình không thứ nguyên với hằng số sấy k và thời gian sấy  trong các
nghiên cứu kể trên và nhiều nghiên cứu khác có ưu điểm là dễ dàng, nhưng nhược
điểm là phải thực nghiệm xác định hằng số sấy của từng vật liệu.
Trong báo cáo của mình, Sagar [104] đã khẳng định, cần tập trung vào nghiên
cứu các mô hình toán học cũng như mô phỏng QTS, các cách thức sấy lai ghép ví
dụ như bơm nhiệt đối lưu kết hợp vi sóng, sử dụng CO2 thay thế TNS là không khí,
nghiên cứu cách thức rút ngắn thời gian sấy. Với sấy lạnh bằng bơm nhiệt, Sagar
cũng khẳng định, về phương thức tiết kiệm năng lượng thì một cách thức nghiên
cứu rất quan trọng là tiếp tục nghiên cứu mô hình toán học để giảm năng lượng tiêu
thụ và sấy gián đoạn.
Bên cạnh đó, còn một số công trình nghiên cứu về tiết kiệm năng lượng theo

36. 18
hướng sấy gián đoạn (xin tham khảo thêm mục 1.6). Khi nghiên cứu động học QTS
gián đoạn, Chou và cộng sự [57] đã sử dụng mô hình truyền nhiệt truyền chất đồng
thời trên cơ sở giả thiết tồn tại cả khuếch tán lỏng và hơi trong VLS với các hệ số
thấm hơi và thấm lỏng bằng hằng số.
Mặc dù có nhiều công trình nghiên cứu về sấy lạnh bằng bơm nhiệt nhưng hầu
hết những nghiên cứu này đều là những nghiên cứu mang tính chất thực nghiệm, ít có
công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mô hình toán học QTS, động học
QTS cũng như nghiên cứu tính toán thời gian sấy lạnh trên cơ sở xét đến ảnh hưởng
qua lại của dòng ẩm và dòng nhiệt.
1.5.2. Các nghiên cứu về sấy lạnh bằng bơm nhiệt tại Việt Nam
Năm 1997, Nguyễn Đức Lợi và Phạm Văn Tùy [19] xây dựng HTS lạnh với
SPS là kẹo Jelly tại Công ty bánh kẹo Hải Hà. Nhiệt độ không khí trong BS là 220
C
÷ 270
C, độ ẩm 35% 45%. Kết quả cho thấy chi phí về điện giảm đi khoảng 58%,

tiêu hao năng lượng để tách một kg ẩm bay hơi giảm từ 11,49 kWh/kg ẩm xuống
còn 4,67 kWh/kg ẩm so với phương pháp dùng máy hút ẩm hấp phụ, nhưng chất
lượng sản phẩm vẫn được đảm bảo.
Phạm Văn Tùy [39] cũng đã nghiên cứu sấy các nguyên liệu dược phẩm dùng
trong y học cổ truyền như nghệ, dịch gừng ép, dịch cúc hoa bằng PPS lạnh, kết quả
cho thấy chất lượng sản phẩm tốt hơn so với PPS bằng không khí nóng. Sau đó,
nhóm tác giả đã nghiên cứu thiết kế chế tạo, thử nghiệm máy hút ẩm và sấy lạnh đa
năng BK-BSH 1.4 và tiếp tục cải tiến chế tạo thành công máy hút ẩm và sấy lạnh đa
năng BK – BSH18A, BK – BSH18B với thiết bị xử lý không khí nhỏ gọn, có thể
đặt ở ngoài nhà, trong nhà hay trong buồng sấy và có tốc độ không khí có thể thay
đổi được để phù hợp với yêu cầu sấy các loại vật liệu cụ thể [8].
Phạm Văn Tuỳ và cộng sự [38] đã nghiên cứu sấy các loại rau quả như cà rốt,
hành, củ cải... bằng bơm nhiệt sấy lạnh, kết quả cho thấy thời gian sấy lâu hơn so
với PPS truyền thống nhưng chất lượng về cảm quan và khả năng bảo toàn về
vitamin C cao hơn hẳn và tác giả cũng đề nghị chế độ sấy tối ưu đối với các loại rau
quả ở nhiệt độ 300
C, vận tốc gió 3,5 m/s, độ ẩm không khí từ 20% 40%.

Trong [34], Trần Đại Tiến đã nghiên cứu thực nghiệm HTS bơm nhiệt lai ghép
với các phương pháp khác như hồng ngoại, bức xạ, v.v... để sấy nguyên liệu là mực
tươi. Kết quả cho thấy cách tổ chức sấy lai ghép này cho kết quả khá tốt.
Năm 2011, Võ Mạnh Duy và Lê Chí Hiệp [7] đã tiến hành tính toán, thiết kế và
chế tạo máy sấy bơm nhiệt kiểu thùng quay để nghiên cứu sấy cà rốt. Sự ảnh hưởng
của nhiệt độ TNS và tốc độ quay của thùng quay cũng đã được đưa vào nghiên cứu
bằng thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống đạt hiệu suất tách ẩm cao

37. 19
nhất khi TNS có nhiệt độ 400
C và tốc độ 2,5 m/s.
Năm 2009, Hoàng Ngọc Đồng [10] đã báo cáo về ảnh hưởng của cách bố trí
dàn lạnh và tốc độ gió đến khả năng tách ẩm từ dàn lạnh trong HTS lạnh bằng bơm
nhiệt. Đối tượng nghiên cứu là cà rốt, thời gian sấy được xác định bằng thực
nghiệm. HTS mà tác giả đã chế tạo và nghiên cứu QTS là HTS gồm 2 dàn lạnh mắc
song song có cùng một nhiệt độ sôi. Kết quả nghiên cứu cho thấy lượng nước
ngưng thu được trên hai dàn lạnh lớn hơn nhiều so với trường hợp có một dàn lạnh.
Năm 2008, Hoàng Ngọc Đồng và Lê Minh Trí [11] đã tiến hành xác định bằng
thực nghiệm thời gian sấy trên HTS bơm nhiệt. TNS ở đây không được hồi lưu.
Toàn bộ lượng nhiệt của dàn ngưng đã được sử dụng vào để đốt nóng TNS (là
không khí được lấy trực tiếp từ ngoài trời vào HTS). Như vậy, có một lượng năng
lượng lãng phí khi bơm nhiệt đã được sử dụng vào HTS nhưng không tận dụng
năng lượng (gồm cả nhiệt ẩn và hiện) của dòng TNS sau khi ra khỏi BS tầng sôi.
Về khía cạnh tiết kiệm năng lượng, trong nghiên cứu của mình, Phạm Anh Tuấn
[36] đã dựa trên đặc điểm nhiệt độ TNS ra khỏi BS thường cao hơn nhiệt độ môi
trường để đề xuất và nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng là hạ nhiệt độ TNS
trước khi vào dàn lạnh bằng nước ở nhiệt độ môi trường.
Một số đề tài nghiên cứu khác tại Việt Nam đi vào hướng tối ưu chế độ sấy dựa
trên một HTS sẵn có [32]; phân tích hiệu quả làm việc của hệ thống bơm nhiệt sấy
lạnh hay đặc tính động học của một quá trình xảy ra trong hệ thống [8], [23].
Ngoài ra còn có nhiều công trình khác về sấy bơm nhiệt với các loại SPS khác
nhau được giới thiệu trong các tài liệu [14], [35], ... Các nghiên cứu này gồm có cả
lý thuyết và thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số TNS như tốc
độ, nhiệt độ, độ ẩm, tỉ lệ bypass… đến khả năng tách ẩm, chất lượng sản phẩm, tiêu
hao năng lượng… cũng như tìm ra chế độ sấy hợp lý cho từng loại sản phẩm.
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về HTS sử dụng bơm nhiệt cho các nông sản thực
phẩm ở Việt Nam, nhưng các nghiên cứu này chủ yếu mang tính chất nghiên cứu thực
nghiệm, ít có đề tài nghiên cứu quá trình TNTC trong vật liệu sấy, động học sấy, thời
gian sấy cũng như các biện pháp nâng cao hiệu quả năng lượng. Một số luận văn thạc
sỹ chỉ mới đi theo hướng tối ưu hóa dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm.
1.6. KỸ THUẬT SẤY GIÁN ĐOẠN
1.6.1. Sơ lược về kỹ thuật sấy gián đoạn
Các PPS đối lưu truyền thống sử dụng TNS có nhiệt độ không đổi trong suốt
QTS để dịch chuyển ẩm ra khỏi VLS. Nhiệt truyền đến VLS chủ yếu theo phương
thức đối lưu [26], [29]. Quá trình truyền nhiệt này phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt

38. 20
của vật liệu. Trong QTS, khi ẩm dịch chuyển ra lớp bề mặt của VLS, nó sẽ được
thay thế bởi không khí và làm cho hệ số dẫn nhiệt của lớp bề mặt này giảm đi vì hệ
số dẫn nhiệt của không khí thấp hơn của nước [24]. Nhiệt truyền từ TNS vào VLS
giảm từ từ dẫn đến lượng ẩm dịch chuyển ra lớp bề mặt VLS giảm. Vì vậy, tốc độ
truyền nhiệt cao tại bề mặt sẽ chỉ gây ra hiện tượng quá nhiệt lớp bề mặt VLS, dẫn
đến các vấn đề về chất lượng mà không làm tăng đáng kể động học sấy [57].
Hàng loạt các kỹ thuật đã được áp dụng để nâng cao hiệu quả của QTS như đảo
sản phẩm sấy, sấy tầng sôi hoặc vi sóng [26], [28], [29]. Thường thì các quy trình này
cần nguồn cung cấp năng lượng cao hoặc dẫn đến hiện tượng cấp nhiệt không đồng
đều khi sấy vi sóng hoặc dẫn đến hiện tượng cháy sản phẩm [69], [75], [99], [106],
[107]. Sấy gián đoạn (SGĐ) đã được xem như là một biện pháp thay thế, đặc biệt là
trong công nghiệp sấy thóc vì nó thể hiện một vài ưu điểm so với sấy liên tục (SLT)
[54], [61]. Ngoài ra, nhiều nghiên cứu đã tán thành cách thay đổi nhiệt độ TNS trong
khi vận hành HTS [65], [102].
Kỹ thuật sấy gián đoạn với chế độ cấp nhiệt thay đổi theo thời gian áp dụng với
quá trình sấy buồng hoặc sấy mẻ có thể chia thành các loại sau [57] (hình 1.4):
a) Sấy gián đoạn bằng cách cấp nhiệt gián đoạn, thực hiện bằng cách ngắt dòng
TNS cấp cho VLS (khoảng thời gian tương ứng với việc ngắt dòng TNS này được
gọi là khoảng thời gian nghỉ hoặc thời gian ủ).
b) Sấy-thông gió là một QTS liên quan đến việc kết hợp chu kỳ sấy ngắn nhiệt
độ cao, ủ và quá trình làm mát chậm để kết thúc QTS.
c) Đảo chiều dòng TNS (theo một hướng trong một thời gian nhất định, sau đó
đảo chiều), áp dụng cho sấy hạt lớp chặt.
d) Sấy theo chu kỳ tức QTS mà nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ TNS biến thiên theo
một quy luật lặp xác định như hình sin, sóng vuông hoặc răng cưa. Áp suất TNS
trong buồng sấy cũng có thể được thay đổi theo chu kỳ.
Theo Chua và cộng sự [61], SGĐ theo phương án a) nêu trên bao gồm 2 giai
đoạn độc lập gồm cấp nhiệt và ủ được thực hiện ở chế độ luân phiên. Do độ chứa
ẩm tại bề mặt VLS tăng trong giai đoạn ủ nên tốc độ sấy trong giai đoạn cấp nhiệt
kế tiếp tăng lên đáng kể, điều này làm tăng động học sấy. Tuy nhiên, do tốc độ sấy
bị hạn chế trong giai đoạn ủ trước đó nên thời gian sấy tổng tăng lên một chút
nhưng được bù lại bởi độ giảm năng lượng tiêu thụ và chất lượng SPS tốt hơn.

39. 21
Nhiều nhà nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu SGĐ bằng không khí nóng với
thóc [51], [62], [63], [108].
Hình 1.4. Các hình thức sấy gián đoạn [57].
Thay đổi nhiệt độ TNS theo bậc
Việc thay đổi nhiệt độ TNS theo bậc là một phương pháp hiệu quả để giảm thời
gian sấy và cải thiện chất lượng sản phẩm [55]. Việc thay đổi nhiệt độ, độ ẩm và tốc
độ TNS làm tăng chất lượng sản phẩm cũng như cải thiện động học sấy [78], [79],
[80]. Tuy nhiên, đối với các vật liệu nhạy cảm với nhiệt như rau hoa quả, nhiều trở
lực cản trở quá trình dịch chuyển nhiệt và ẩm trong lòng VLS, nên ảnh hưởng của
tốc độ và độ ẩm không quan trọng bằng nhiệt độ TNS [53], [77], [88], [92], [102].
Một vài nghiên cứu đã tập trung vào ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ TNS theo
bậc đến động học sấy. Sự cuốn hút của những nghiên cứu này là thời gian sấy hiệu
quả ngắn, chất lượng SPS cao hơn (giảm độ co ngót, nứt, độ giòn) và cải thiện hàm
lượng chất lượng dinh dưỡng còn lại trong SPS [65], [102]. Ví dụ, Devahastin và
Kiểu
ON/OFF
Thay đổi tùyý/ hoặc
được điều khiển
Biênđộvà độ dốc
không đổi
∙ Thayđổi tuyến tính
hoặc theo hàm mũ
∙ Thayđổi theo nhiệt độ
bề mặtvậtliệu
Các hình thức sấy gián
đoạn (cấp nhiệt, tốc độ
TNS, độ ẩm, áp suất)
Biênđộ/tầnsố
không đổi
Thay đổi
dạng chu kỳ
Thay đổi
độ dốc
Chu kỳ/độ dốc
thayđổi
Biênđộ và độ dốc
khác nhau
Biênđộ/tầnsố
thayđổi

40. 22
Mujumdar [65] đã nghiên cứu lý thuyết QTS ngũ cốc theo chế độ giảm nhiệt độ
TNS theo bậc và thấy rằng thời gian sấy có thể giảm tới 30% so với sấy liên tục.
Trong một nghiên cứu khác Oezilgen và cộng sự [98] đã giới thiệu một chế độ sấy
táo với nhiệt độ TNS cao tại thời điểm ban đầu và sau đó giảm liên tiếp, kết quả là
sản phẩm có được màu sắc tốt hơn so với khi sấy với nhiệt độ TNS không đổi.
Ngoài ra, Chua và cộng sự [60] đã đưa ra kết luận rằng việc thay đổi nhiệt độ TNS
theo thời gian một cách hợp lý có thể giảm sự thay đổi về màu sắc SPS là rau hoa
quả. Tuy nhiên, Chong và Law [56] đã lưu ý rằng khi sấy theo chế độ giảm dần
nhiệt độ theo bậc, nhiệt độ TNS tại giai đoạn cuối QTS không thể quá thấp do ảnh
hưởng của độ chứa ẩm cân bằng.
1.6.2. Một số kết quả nghiên cứu điển hình về sấy gián đoạn trên thế giới
Một vài nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm đã xuất hiện trong lịch sử nghiên
cứu về SGĐ, ví dụ Giowacka và Malczewski (trong tài liệu [61]) đã giải phương trình
của Luikov để nghiên cứu động học sấy của vật liệu dạng hạt với chế độ thay đổi
nhiệt độ TNS theo thời gian. Cũng theo [61], ảnh hưởng của mức độ gián đoạn đến
vấn đề tiết kiệm năng lượng đã được Jumah và cộng sự nghiên cứu khi sấy thóc gián
đoạn trong một TBS phun, năng lượng tiết kiệm được có thể tới 37%. Theo
Mujumdar [94], Ratti và cộng sự đã đưa ra mô hình nghiên cứu sấy theo mẻ với tốc
độ TNS thay đổi theo thời gian và kết quả cho thấy tổng lượng tiêu hao không khí
(TNS) giảm mà không làm tăng đáng kể thời gian sấy.
Bằng thực nghiệm, Chua và cộng sự [57] đã xác định được nhiều ưu điểm của
SGĐ (thay đổi nhiệt độ) tới chất lượng sản phẩm. Các tác giả này đã nhận thấy rằng
với việc lựa chọn thích hợp nhiệt độ TNS khi sấy gián đoạn, sự cải thiện về hàm
lượng axit ascorbic (vitamin C) của ổi (thái lát) sau khi sấy (Psidium guava) có thể
tăng tới 20% so với trường hợp không thay đổi nhiệt độ.
Trong báo cáo của mình năm 2003, Chua và cộng sự [61] đã khẳng định SGĐ
bằng cách thay đổi nhiệt độ sẽ làm giảm sự thay đổi màu sắc tổng thể của khoai tây,
ổi, chuối với các giá trị tương ứng là 87%, 75%, 67% .
Kowalski và Pawlowski [79] đã áp dụng SGĐ vào việc sấy gỗ bằng cách thay
đổi nhiệt độ và độ ẩm TNS theo chu kỳ và kết quả là chất lượng gỗ tốt hơn so với
trường hợp không thay đổi thông số TNS.
Năm 2009, Tuyen và cộng sự [117] đã báo cáo về việc sử dụng giai đoạn ủ
trong thời gian đầu QTS đầu khi sấy thóc tầng sôi và trong thời gian cuối QTS khi

41. 23
sấy thóc lớp mỏng có thể làm giảm độ nứt hạt và cải thiện độ cứng. Thakur và
Gupta [114] cũng đã báo cáo rằng, giai đoạn ủ kép giữa hai giai đoạn cấp nhiệt khi
sấy tầng sôi cũng như hai giai đoạn của sấy trên ghi và có thể làm giảm tiêu thụ
năng lượng, cải thiện độ cứng của sản phẩm.
Năm 2011, Kowalski và Pawlowski [80] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm
SGĐ trên vật mẫu là khối đất sét hình trụ đường kính 50 mm, chiều cao 60 mm. Kết
quả chỉ ra rằng SGĐ sẽ làm cho chất lượng sản phẩm tốt hơn so với sấy ở điều kiện
không đổi ở cùng một thời gian sấy như nhau. Bên cạnh đó, các tác giả còn nhận xét
thấy rằng, chất lượng sản phẩm tốt nhất khi thay đổi độ ẩm của TNS nhưng kèm
theo đó là tiêu hao năng lượng lớn hơn đôi chút.
1.6.3. Sấy gián đoạn với hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt
Theo báo cáo của Mujumdar [94] thì vào năm 1991, chính tác giả này đã xác
nhận và đề xuất lần đầu tiên việc sử dụng nhiều chế độ cấp nhiệt cho VLS, cũng
như thay đổi theo quy luật các thông số TNS, áp suất làm việc trong buồng sấy lạnh
theo mẻ bằng bơm nhiệt. Với các phương pháp này, có thể tăng nhanh động học sấy
mà không ảnh hưởng xấu đến chất lượng SPS.
Chua và cộng sự [58] đã giới thiệu ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ TNS
theo thời gian đến chất lượng của các sản phẩm nông nghiệp trong HTS bơm nhiệt
dạng hầm. Law và cộng sự [84] đã đề xuất các phương án thay đổi nhiệt độ TNS
theo chu kỳ hoặc giảm từng bước, áp suất buồng sấy, tốc độ TNS thay đổi theo chu
kỳ, thay đổi chiều dòng TNS, v.v...
Trong [57], Chou và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu SGĐ khoai tây kích thước
lớn trong HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi. Kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ sự phù
hợp với các kết quả nghiên cứu động học quá trình SGĐ bằng mô hình toán học dựa
trên độ thấm hơi và độ thấm lỏng. Thời gian sấy khi sấy theo sơ đồ cấp nhiệt với
nhiệt độ TNS thay đổi theo quy luật ngắn hơn so với SLT.
Tình hình nghiên cứu sấy gián đoạn ở Việt Nam
Nói chung, ở Việt Nam chưa có nghiên cứu về SGĐ. Trong một số nghiên cứu về
sấy lạnh bằng bơm nhiệt các tác giả có nhắc đến thời gian xả băng dàn lạnh [8], [14],
[19], [23], [32], [35], ..., thậm chí Nguyễn Phong Nhã [23] còn nghiên cứu thời gian
xả băng hợp lý. Khoảng thời gian xả băng này chính là khoảng thời gian ủ để VLS

42. 24
được "hồi ẩm" dẫn đến động học sấy tốt hơn như trong QTS gián đoạn nhưng các tác
giả đề cập đến vấn đề đó một cách ngẫu nghiên vì vẫn coi QTS là liên tục.
Bên cạnh đó có một số quy trình và chế độ sấy về bản chất là SGĐ đã được nêu
trong các tài liệu [26], [28] nhưng hầu hết là sấy bằng không khí nóng và khói lò.
Trong [9], các tác giả Trần Quốc Dũng, Nguyễn Văn Minh đã tiến hành thực
nghiệm sấy gỗ thông bằng HTS lạnh dùng bơm nhiệt. Nhiệt độ TNS được khống
chế dưới 250
C. Chế độ được thay đổi theo từng giai đoạn sấy của gỗ, mở đầu là
250
C, tiếp đó là 180
C và kết thúc là quay trở lại 250
C. Kết quả cho thấy chất lượng
gỗ tốt hơn hẳn, tỉ lệ gỗ nứt nẻ bị giảm đi so với trường hợp sấy ở một chế độ 200
C
hoặc 250
C. Về bản chất, đây chính là sấy gián đoạn.
Như vậy, những nghiên cứu về SGĐ được thực hiện trên HTS lạnh bằng bơm
nhiệt vẫn còn tương đối mới và chưa được nghiên cứu nhiều. Việc nghiên cứu và áp
dụng các phương pháp SGĐ khác nhau đối với HTS nói chung và HTS bơm nhiệt
nói riêng là rất cần thiết và chắc chắn sẽ thu được nhiều kết quả khả quan, đặc biệt
là về hiệu quả năng lượng.
1.7. NHỮNG VẤN ĐỀ TỒN TẠI CẦN GIẢI QUYẾT
1.7.1. Mô hình toán học quá trình sấy lạnh trên cơ sở bỏ qua ảnh hưởng của
truyền nhiệt đến truyền ẩm
Như đã nêu trong mục 1.4, quá trình dịch chuyển nhiệt ẩm trong VLS luôn là quá
trình có ảnh hưởng tương hỗ đến nhau. Trong [28], Trần Văn Phú đã nêu, vì tính chất
phức tạp của bài toán truyền nhiệt truyền chất (TNTC) trong vật liệu ẩm nên việc
nghiên cứu giải tích bài toán này trong trong lòng vật liệu ẩm để từ đó tìm ra các quan
hệ động học sấy vẫn chưa mang lại ý nghĩa thực tiễn.
Tuy nhiên, khi bỏ qua ảnh hưởng của dòng nhiệt đến dòng ẩm trong QTS lạnh
thì hệ phương trình vi phân TNTC trở nên đơn giản hơn. Khi ấy, hệ phương trình
(1.9) và (1.10) trở thành:
)
M
,
t
(
f
J1 

 (1.28)
)
M
(
g
J2 
 (1.29)
Vấn đề đặt ra ở đây là mô hình này có phù hợp cho QTS lạnh hay không? Và
với việc sử dụng các phương pháp số để giải hệ phương trình vi phân TNTC này,

43. 25
đặc biệt là khi các đại lượng nhiệt vật lý phụ thuộc nhiệt độ hoặc độ chứa ẩm thì ta
vẫn có thể xác định động học QTS lạnh cũng như vấn đề tiết kiệm năng lượng.
Cũng cần nhấn mạnh rằng, ở đây chỉ đề cập đến vấn đề bỏ qua ảnh hưởng của dòng
nhiệt đến dòng ẩm và vẫn giữ nguyên ảnh hưởng của dịch chuyển ẩm tới dẫn nhiệt
trong VLS.
1.7.2. Vấn đề xác định thời gian sấy lạnh
Như đã nêu ở mục 1.4.3, trong kỹ thuật sấy nói chung, đã có nhiều phương pháp
xác định TGS, nhất là trong lĩnh vực sấy nóng [28], [31], [30], ..., có tốc độ TNTC
cao. Với lĩnh vực sấy lạnh bằng bơm nhiệt nếu được coi là có tốc độ truyền chất thấp
thì có thể tiếp tục phát triển phương pháp xác định thời gian sấy mới của Trần Văn
Phú đã nêu trong mục 1.4.4 hay không? Cụ thể là đơn giản hóa vấn đề xác định hệ số
trao đổi chất tại bề mặt VLS dựa trên giả thiết nêu trên và sự tương tự giữa TNTC tại
bề mặt VLS dạng tấm phẳng thay vì sử dụng tiêu chuẩn đồng dạng trong truyền chất.
1.7.3. Vấn đề động học quá trình sấy lạnh và ảnh hưởng của các yếu tố đến
quá trình sấy, lựa chọn chế độ sấy phù hợp
Với những thông tin đã nêu ra trong các mục 1.1 đến 1.4, có thể thấy rằng việc
nghiên cứu động học sấy lạnh bằng bơm nhiệt còn chưa thực sự đầy đủ, nhất là
trong điều kiện Việt Nam. Nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ của TNS, độ ẩm, nhiệt độ ban
đầu của VLS ảnh hưởng thế nào đến thời gian sấy và nhiệt lượng hấp thụ bởi VLS
trong quá trình sấy lạnh cần được tiếp tục nghiên cứu.
Việc tăng tốc độ TNS trong HTS đối lưu có lợi ích là giảm thời gian sấy nhưng
kèm theo đó là lại làm tăng tổn thất nhiệt ra môi trường, ... Với sấy lạnh, nhiệt độ TNS
xấp xỉ nhiệt độ môi trường, nếu bỏ qua tổn thất nhiệt thì có tồn tại giá trị "tới hạn" hay
không khi mà tốc độ TNS vượt quá giá trị này thì thời gian sấy tăng không đáng kể?
Với QTS lạnh liên tục, độ ẩm, tốc độ TNS, nhiệt độ ban đầu ảnh hưởng thế nào
đến lượng nhiệt do vật liệu sấy hấp thụ?
1.7.4. Vấn đề tiết kiệm năng lượng với sấy lạnh bằng bơm nhiệt
Từ những kết quả nghiên cứu về động học QTS liên tục cũng như lượng nhiệt VLS
hấp thụ, những giải pháp nào có thể được sử dụng nhằm tiết kiệm năng lượng cho HTS?
Như đã nêu trong mục 1.6, kỹ thuật SGĐ nói chung và SGĐ bằng HTS lạnh
dùng bơm nhiệt có ưu điểm tiết kiệm năng lượng nhưng có lịch sử nghiên cứu, ứng
dụng chưa lâu. Vẫn có nhiều khía cạnh cần được tiếp tục nghiên cứu, đó là động

44. 26
học QTS với các sơ đồ SGĐ phổ biến, nhiệt lượng VLS hấp thụ.
Phương án cấp nhiệt - ủ, phương án thay đổi nhiệt độ TNS theo bậc đã được
nghiên cứu và cho thấy hiệu quả về mặt rút ngắn thời gian sấy cũng như tiết kiệm
năng lượng. Dựa trên cơ sở phân tích năng lượng do VLS hấp thụ và năng lượng tạo
ra do bơm nhiệt đã nêu ở mục 1.3.2 cùng với đặc điểm vận hành HTS lạnh là thường
phải sử dụng dàn ngưng phụ để thải bớt nhiệt ra khỏi hệ thống, ta sử dụng phương án
SGĐ như sau: trong một chu kỳ sấy, ví dụ trong mỗi 60 phút, ta thay đổi nhiệt độ
TNS theo quy luật đồng thời xen giữa là quá trình ủ thì khả năng tiết kiệm năng
lượng sẽ như thế nào? Có lợi hơn về mặt năng lượng so với trường hợp cũng cấp
nhiệt - ủ nhưng nhiệt độ TNS không thay đổi hay không?
1.8. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
Với những vấn đề đặt ra trong mục 1.7, mục đích của luận án này là nghiên cứu
các quá trình TNTC liên hợp, động học sấy, xác định thời gian sấy trong QTS lạnh
bằng bơm nhiệt cũng như các giải pháp nâng cao hiệu quả năng lượng.
Với những mục tiêu như trên, cấu trúc của luận án bao gồm 6 chương. Chương
1 là tổng quan các vấn đề cần nghiên cứu. Chương 2 đề cập đến vật liệu và phương
pháp nghiên cứu. Việc nghiên cứu quá trình truyền nhiệt truyền chất liên hợp, phát
triển phương pháp xác định thời gian sấy và lựa chọn mô hình toán học nghiên cứu
quá trình sấy lạnh dùng bơm nhiệt được trình bày ở chương 3.
Chương 4 nghiên cứu lý thuyết động học quá trình sấy lạnh dùng bơm nhiệt,
các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy, xác định thời gian sấy, lượng nhiệt hấp thụ
bởi VLS, chế độ sấy phù hợp.
Các giải pháp lý thuyết nhằm tiết kiệm năng lượng bao gồm chế độ vận hành hệ
thống sấy lạnh, thông số TNS, kỹ thuật một máy nén phục vụ nhiều buồng sấy, các
chế độ sấy gián đoạn,... được đề cập ở chương 5.
Nội dung chương 6 là nghiên cứu thực nghiệm kiểm chứng lý thuyết: thực
nghiệm động học QTS lạnh, kiểm chứng phương pháp xác định thời gian sấy, kiểm
chứng giải pháp tiết kiệm năng lượng theo chế độ SGĐ kết hợp đã nêu trong mục
1.7.4 ở trên.
Cuối cùng là các kết luận và đề xuất.

45. 27
Chương 2.
VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. TỔNG QUÁT CÁC NỘI DUNG THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU
Như đã nêu trong phần mở đầu, phương pháp nghiên cứu của đề tài là nghiên
cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm. Phương pháp nghiên cứu được thể hiện trong
lược đồ hình 2.1.
Hình 2.1. Lược đồ cấu trúc phương pháp và nội dung nghiên cứu của đề tài
Khảo sát
Đối tượng nghiên cứu (HTS lạnh bằng bơm nhiệt, vấn đề hiệu
quả năng lượng, vấn đề truyền nhiệt truyền chất liên hợp, xác
định thời gian sấy, kỹ thuật sấy gián đoạn, ...)
Xây dựng mô hình HTS bơm nhiệt,
lựa chọn đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết
- Quá trình dịch chuyển nhiệt - ẩm
- Lựa chọn mô hình toán học quá trình TNTC
- Phát triển phương pháp mới xác định thời gian sấy lạnh
- Nghiên cứu động học QTS liên tục, nghiên cứu các yếu tố
ảnh hưởng đến QTS, nhiệt lượng cấp cho VLS.
- Nghiên cứu lý thuyết các giải pháp tiết kiệm năng lượng với
QTS liên tục và tiết kiệm năng lượng bằng sấy gián đoạn.
Thực nghiệm trên mô hình HTS
- Thực nghiệm xác định động học QTS lạnh
- Kiểm chứng phương pháp xác định thời gian sấy
- Kiểm chứng giải pháp tiết kiệm năng lượng
bằng kỹ thuật sấy gián đoạn kết hợp.
Kết luận và đề xuất