Nghiên cứu khoa học Thiết bị sấy hải sản dùng năng lượng mặt trời

KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009 SVTH : Huỳnh Văn Thương ,Hồ Quang Vũ-Lớp 04N2 Trang 1 NGHIÊN CỨU THIẾT BỊ SẤY HẢI SẢN DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Sinh viên : Huỳnh Văn Thương Hồ Quang Vũ CBHD : PGS.TS Hoàng Dương Hùng Khoa :CN Nhiệt - ðiện Lạnh Tóm tắt: Bài báo này trình bày nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thực tế bộ thu năng lượng mặt trời sử dụng bộ thu phẳng ñể gia nhiệt cho không khí cung cấp cho hệ thống sấy cá . Dựa trên các số liệu thí nghiệm, ta xây dựng nên các ñường ñặc tính t = f(τ), Q = f(τ) và mối quan hệ giữa t, Q, G và τ. Rồi từ ñó ñưa ra các nhận xét và kết luận về hiệu quả làm việc của bộ thu năng lượng mặt loại bộ thu phẳng. Abstract : The article presents the process of doing expremental research on model of practical plane solar colector to increase heat for atmospheric,to supply for system dry fish.Basing on the resuts of the research, we can build propties lines t = f(τ), G = f(τ) and the relationship between t, Q, G and τ, Then we can give some comments and make conclusions about the effectiveness of plane solar colector. 1. Mở ñầu Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời ñại khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng tăng. Trong khi ñó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than ñá, dầu mỏ, khí thiên nhiên ngày càng càng kiệt khiến cho nhân loại có nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng ñịa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là một trong những hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng. Nước ta là nước giàu về năng lượng mặt trời nhưng sự ứng dụng nguồn năng lượng này còn rất hạn chế. Thiết bị năng lượng mặt Trời ở nước ta chỉ mới dừng lại ở phạm vi nghiên cứu riêng lẻ, chưa ñược triển khai phổ biến vào thực tế, nhất là trong lĩnh vực cung cấp khí nóng ñể sấy hải sản bằng Năng lượng Mặt trời. Do vậy, nghiên cứu ứng dụng nguồn năng lượng Mặt trời vào việc sấy hải sản ñang là một vấn ñề cần thiết và cấp thiết. Hệ thống sấy hải sản dùng Năng lượng Mặt trời là hệ thống cung cấp khí nóng vào hầm sấy ñể sấy hải sản với chất lượng sản phẩm ra cao phù hợp cho xuất khẩu, tiết kiệm ñược nguồn năng lượng ñáng kể hàng năm và quan trọng hơn nữa là hoàn toàn không gây ô nhiễm môi trường – ñang là vấn ñề bức xúc hiện nay trên toàn cầu. ðây là thiết bị có thể ñược sử dụng rất tiện lợi ở Việt Nam. 2. Tổng quan +Tình hình sấy thuỷ sản ở nước ta hiện nay: Việt Nam là nước có bờ biển dài và vùng ngư truờng ñánh cá rất rộng .sản lượng tôm cá hàng năm rất lớn .Cũng như các nước kém phát triển, trong ñó một phần không nhỏ ñược chế biến dạng làm khô, biện pháp chủ yếu vẫn là phơi nắng truyền thống, dùng là làm thức ăn gia súc hay làm thực phẩm cho người; phương pháp này rất bị ñộng khi thời tiết bất lợi; sản phẩm chất lượng thấp; và gây ô nhiễm môi trường. Nhu cầu sấy cá khô làm thực phẩm là cấp thiết ở nước ta hiện nay . Cá ñánh bắt ñược tiêu thụ trong nước không hết, cần làm khô ñể bán cho các nước khác trên thế giới. Vì vậy cần phải chế tạo ra các hệ thống sấy phù hợp với ñiều kiện của nước ta nhưng vẫn KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009 SVTH : Huỳnh Văn Thương ,Hồ Quang Vũ-Lớp 04N2 Trang 2 phải ñạt tiêu chuẩn vệ sinh, giá thành thấp nhằm giảm chi phí trong việc sấy cá, giảm giá thành cá sấy. +Tổng quan về thiết bị sấy thuỷ sản bằng năng lượng mặt trời ở nước ta Hơn 20 năm trở lại ñây, nước ta ñã sử dụng nhiều loại thiết bị thu hứng ánh sáng mặt trời ñể phục vụ cho quá trình sản xuất như thiết bị sấy, thiết bị ñun nước nóng, thiết bị chưng cất nước và dàn pin mặt trời... Thiết bị sấy dùng ñể làm khô các loại nông sản, hải sản hoặc dược liệu,nhưng thiết bị sấy cá dùng năng lượng mặt trời thì nước ta chưa có . Trong ñiều kiện các nguồn nhiên liệu hoá thạch ñang cạn kiệt ,thì việc ứng dụng năng lượng mặt trời ñể sấy cá sẽ mang lại hiệu quả kinh tế rất lớn. 3. Những nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm : Nghiên cứu chế tạo thiết bị sấy cá bằng năng lượng mặt trời ñể xuất khẩu theo phương pháp lý thuyết kết hợp với thực tiễn . ðầu tiên dựa vào sản lượng cá cần sấy ta tiến hành tính nhiệt cần thiết cho thiết bị sấy Sau ñó ñề xuất dạng mô hình thiết bị rồi tính toán lý thuyết ,dựa trên lý thuyết tìm các thông số tối ưu của thiết bị ñể hoàn chỉnh mô hình .Chế tạo mô hình thiết bị thí nghiệm, thí nghiệm, ño ñạc thu thập số liệu và ñối chiếu với lý thuyết ñể hoàn chỉnh mô hình thí nghiệm .Chế tạo thiết bị thực tế,sử dụng thiết bị trong ñiều kiện thực tế và hiệu chỉnh lần cuối trước khi chế tạo hàng loạt ñể triển khai ứng dụng . 3.1 Nghiên cứu lý thuyết: 3.1.1 Tính nhiệt hầm sấy : Tên thông số Kí hiệu Giá trị ðơn vị Sản lượng cá khô G2 200 Kg/mẻ Sản lượng cá tươi G1 324 Kg/mẻ ðộ ẩm ban ñầu của sản phẩm sấy φ1 58 % ðộ ẩm sau của sản phẩm sấy φ2 32 % Nhiệt ñộ sấy ban ñầu t1 50 0C Nhiệt ñộ sau khi sấy t2 38 0C Nhiệt ñộ môi trường t0 27 0C ðộ ẩm môi trường φ0 82 % Nhiệt lượng yêu cầu của tác nhân sấy Qyc 18832,2 W Lưu lượng yêu cầu của tác nhân sấy Lyc 0,783 Kg/s Bảng 1 .Tính nhiệt hầm sấy 3.1.2 Tính nhiệt bộ thu năng lượng mặt trời: + Thông số cơ bản của bộ thu Tên thông số Kí hiệu Giá trị ðơn vị Dài LK 1,2 m Rộng RK 0,7 m Bề dày δK 0,005 m Hệ số dẫn nhiệt λK 0,8 W/m 0K Thông số của kính ðộ trong của kính DK 0,95 Chiều dài Lht 1 m Diện tích hấp thụ Chiều rộng Rht 0,65 m KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009 SVTH : Huỳnh Văn Thương ,Hồ Quang Vũ-Lớp 04N2 Trang 3 ðộ ñen ε 0,95 Diện tích cánh hấp thụ Fc 0,135 m 2 Chiều dày δv 0,001 m Vật liệu vỏ hộp Nhiệt dung riêng Cv 460 J/KgK Chiều dày δc 0,05 m Lớp cách nhiệt Hệ số dẫn nhiệt λc 0,055 W/m 0K Chiều dày trung bình δk 0,165 m Hệ số dẫn nhiệt λk 0,027 W/m 0K Nhiệt dung riêng Ck 1,002 J/KgK Thông số của lớp không khí Khối lượng riêng ρ k 1,06 Kg/m 3 Nhiệt ñộ môi trường to 27 0C Thông số bên ngoài Cường ñộ bức xạ trung bình En 940 W/m 2 Bảng 2. Thông số cơ bản của bộ thu Hình 1. Mô hình tổng thể bộ thu + Cấu tạo và nguyên lý hoạt ñộng 1.Cấu tạo Hình 2 . Cấu tạo của bộ thu 2.Nguyên lý hoạt ñộng Không khí lạnh từ môi trường bên ngoài ñược quạt hút hút vào bộ thu qua ñường kênh dẫn nằm dưới .Không khí lạnh này tiếp tục chuyển ñộng lên phía trên qua bề mặt hấp thụ nhiệt KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009 SVTH : Huỳnh Văn Thương ,Hồ Quang Vũ-Lớp 04N2 Trang 4 .Tại ñây không khí sẽ ñược năng lượng mặt trời gia nhiệt thành không khí nóng có nhiệt ñộ khoảng (50-60)0C.Không khí nóng này tiếp tục ñược quạt hút hút qua ñường kênh dẫn ñến hầm sấy .Mặt hấp thụ là bề mặt phẳng có tạo cánh nhằm tăng diện tích hấp thụ nhiệt .Nguyên lý hấp thụ nhiệt của bề mặt hấp thụ dựa trên hiệu ứng lồng kính . +Tính toán các thông số của bộ thu : -Lập phương trình cân bằng nhiệt cho panel: Phưong trình biểu diễn sự phân bố nhiệt ñộ theo thời gian của bộ thu: Equation 1 )] 2 (2( )4( 1[ 2 )( 22 ω ωτ ω τ b arctgSin b b b a T + + −= ðiều kiện τ h2≥ - Tính các thông số trung gian : STT Tên thông số Công thức tính Giá trị ðơn vị 1 Hệ số toả nhiệt ra không khí α Chọn theo trao ñổi nhiệt ñối lưu tự nhiên 23,3 W/m2K 2 Hệ số toả nhiệt ra không khí hướng lên trên 12 3,1 αα = 30,16 W/m 2K 3 Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt ) 1 2 1 ( 21 1 αλ δ λ δ α +++= c c t tK 1,99 W/m2K 4 Hệ số truyền nhiệt lên trên ) 11 ( 21 2 αλ δ α ++= K KK 7,43 W/m2K 5 Khối lượng vỏ hộp tttv Fm ∑= δρ 31,3 Kg 6 Khối lượng không khí tĩnh trong hộp thu kkk Vm ρ= 0,2 kg 7 Nhiệt dung riêng của cả bộ thu kkvv CmCmC += 15843 j/K 8 Dòng nhiệt dung qua hộp ip FGCW iK∑+= 38,7 W/K 9 Công suất hấp thụ max htFnDEP ε= 2040,3 W 10 Tốc ñộ gia nhiệt cực dại C P a = 0,1288 K/s 11 Tần số dao ñộng riêng C W b = 0,00244 s-1 12 Tốc ñộ góc nτ ω ∏ = 2 7,27.10-5 Rad.s-1 Bảng 3 . Tính các thông số trung gian KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009 SVTH : Huỳnh Văn Thương ,Hồ Quang Vũ-Lớp 04N2 Trang 5 -Tính các thông số ñặc trưng cho panel: STT Tên thông số Công thức tính Giá trị ðơn vị 1 ðộ gia nhiệt max ) )4( 1( 2 22 ω+ += b b b a Tm 52,7 0C 2 Nhiệt ñộ max 0tTt mm += 79,7 0C 3 Thời ñiểm ñạt Tm )) 2 ( 4 1 8 3 ( ω ττ b arctgnm ∏ −= 6,71 h 5 ðộ gia nhiệt trung bình b a Tn 2 = 26.5 0C 6 Công suất nhiệt trung bình npn TGCQ = 794,7 W 7 Sản lượng nhiệt trên một ngày nắng 2 n nQQ τ = 34,3 MJ 8 Hiệu suất của bộ thu htF4 n P t n bE aGC Q Q ∏ ==η 54 % Bảng 4.Thông số dặc trưng của bộ thu 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm. - Xây dựng mô hình. - Tiến hành thí nghiệm thực tế trên mô hình. 3.2.1 Xây dựng ñường ñặc tính G = f(τ) với t = const. Quá trình thí nghiệm: Ở ñây chúng tôi tiến hành thí nghiệm ñể xác ñịnh lượng không khí nóng thu ñược tại một nhiệt ñộ nhất ñịnh (t = const) trong ngày. - ðầu tiên ta không cho quạt hút chạy,gia nhiệt cho không khí trong bộ thu lên ñến nhiệt ñộ cần thiết (550C) .Sau ñó cho quạt chạy ñiều chỉnh nhiệt ñộ không khí nóng ra ở nhiệt ñộ không ñổi là (550C) ,khi ñó ta sẽ thu ñược lượng không khí nóng với nhiệt ñộ không ñổi . - Sau ñó tiến hành thí nghiệm: Thời ñiểm bắt ñầu thí nghiệm là 7h sáng. Thời ñiểm kết thúc là lúc nhiệt ñộ không khí nóng giảm xuống quá giá trị cần thiết ban ñầu . Ở ñây chúng tôi tiến hành khảo sát t = 550C. Số liệu sau khi thí nghiệm ñược ghi lại thành bảng. 3.2.2 Xây dựng ñường ñặc tính t = f(τ) với G = const +Quá trình thí nghiệm Ở ñây chúng tôi tiến hành thí nghiệm ñể kiểm tra nhiệt ñộ không khí ñạt cao nhất ở một lượng không khí vào nhất ñịnh (G = const) trong ngày. Trước tiên cho quạt chạy với lưu lượng cần thiết ñể tốc ñộ không khí vào bộ thu là G = const. Sau ñó ta tiến hành thí nghiệm ño nhiệt ñộ của không khí ñạt giá trị cực ñại là bao nhiêu và vào thời ñiểm nào trong ngày. Ở ñây chúng ta tiến hành khảo sát ở chế ñộ lưu lượng không khívào G = 0.03 kg/s Số liệu sau khi thí nghiệm ñược ghi lại thành bảng. KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009 SVTH : Huỳnh Văn Thương ,Hồ Quang Vũ-Lớp 04N2 Trang 6 3.2.3 Các ñường ñặc tính: 1. Bảng khảo sát nhiệt ñộ trong ngày của bộ thu ứng với lưu lương G=0,03Kg/s 0 20 40 60 80 7 h 8 h 9 h 1 0 h 1 1 h 1 2 h 1 3 h 1 4 h 1 5 h 1 6 h 1 7 h Thời gian (h) N h iệ t ñ ộ ( 0 C ) Hình 4 . ðồ thị t -τ 2. Bảng khảo sát lưu lượng không khí cung cấp trong ngày của bộ thu ứng với t = 550C 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 9 h 1 0 h 1 1 h 1 2 h 1 3 h 1 4 h 1 5 h 1 6 h 1 7 h Thời gian (h) L ư u l ư ợ n g ( k g /s ) Hình 5 . ðồ thị G – τ 4.ðánh giá kết quả : + ðánh giá kết quả : -Thời gian ñạt nhiệt ñộ t ≥ 550C chỉ có 8h -Số thời gian lưu lượng không khí ñạt yêu cầu ñạt yêu cầu thấp - Khi lưu lượng không khí càng lớn thì nhiệt ñộ không khí ñạt sẽ thấp - Nhiệt ñộ và lưu lượng ñạt cực ñại trong khoảng từ (12÷14h) - ðể ứng dụng bộ thu phẳng vào mục ñích sấy cá thì bên cạnh bộ thu năng lượng mặt trời chúng ta cần lắp ñặt thêm hệ thông sấy dùng khói nóng ñể dự trữ và bổ sung thêm lượng nhiệt còn thiếu . - Tăng diện tích bề mặt hấp thụ nhiệt và khả năng dự trữ nhiệt khi trời không nắng bằng ñá hấp thụ nhiệt. - Thay vì chế tạo các tấm panel hấp thụ nhiệt riêng rẻ, ta có thể chế tạo trên trần mái một tấm panel lớn cho cả hệ thống . + Thiết kế hệ thống : Từ kết quả thí nghiệm bộ thu năng lượng mặt trời ta chọn thông số tối ưu của bộ thu là : G = 0,03Kg/s , nhiệt ñộ không khí mà bộ thu cung cấp là : t = 550C KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009 SVTH : Huỳnh Văn Thương ,Hồ Quang Vũ-Lớp 04N2 Trang 7 Số bộ thu cần thiết là : 26 03,0 783,0 === G L n yc bộ thu + Bố trí bộ thu : N S Collector kh«ng khÝ nãng èng dÉn kh«ng khÝ nãng L¸ ch¾n ®iÒu chØnh Cöa ®iÒu chØnh nhiÖt ®é Qu¹t kh«ng khÝ nãng Lß ®èt cñi phô trî Hình 4 . Bố trí bộ thu Qu¹t hót khÝ nãng Qu¹t hót h¬i Èm 8 0 0 1 6 0 0 èng dÉn khÝ nãng Hình 5 . Bố trí lò ñốt củi phụ trợ 5. Kết luận : Sau khi thực hiện xong việc nghiên cứu của ñề tài, chúng tôi có một số kết luận và kiến nghị sau. -ðề tài ñã hoàn thành tốt các nội dung và mục tiêu ñề ra, sản phẩm của ñề tài có khả năng triển khai ứng dụng rộng rãi ở ñiều kiện Việt Nam. -Việt Nam chúng ta có tiềm năng về năng lượng mặt trời là rất lớn nhưng hiện nay việc nghiên cứu triển khai ứng dụng còn hạn chế mới chủ yếu là các thiết bị ñun nấu dùng năng lượng mặt trời. Nước ta là nước có ñường bờ biển trải dài, cộng vào ñó là hệ thống sông ngòi phong phú nên sản lượng hải sản nước ta rất lớn, nhu cầu về sấy hải sản là rất cao. KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009 SVTH : Huỳnh Văn Thương ,Hồ Quang Vũ-Lớp 04N2 Trang 8 -Mặc dầu ñề tài ñã nghiên cứu hoàn thành tốt ñề tài nhưng ñể triển khai ứng dụng rộng rãi vào thực tế và sản phẩm ñến tận tay người sử dụng còn gặp nhiều khó khăn -Do vậy ñề nghị nhà nước ñầu tư hơn nữa việc tuyên truyền về vấn ñề tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường bằng việc sử dụng các nguồn năng lượng sạch. Lời cảm ơn : - Chúng tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Hoàng Dương Hùng ñã rất tận tình trong việc hướng dẫn, góp ý ñể chúng tôi có thể hoàn thành tốt và kịp tiến ñộ ñề tài này. - Xin chân thành cảm ơn Khoa CN Nhiệt - ðiện Lạnh ñã tạo ñiều kiện cho chúng tôi tham gia nghiên cứu ñề tài khoa học hết sức hữu ích này - Xin gởi lời cảm ơn ñến những Kỹ sư, các anh Công nhân xưởng Nhiệt ñã nhiệt tình giúp ñỡ ñể chúng tôi có thể hoàn thành ñược mô hình kịp tiến ñộ thời gian nghiên cứu ñề tài. Tài liệu tham khảo : [1] Hoàng Dương Hùng ,Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng ,NXB KHvàKT, 2007 [2] Trần Văn Phú ,Tính toán và thiết kế hệ thống sấy ,NXB GD,2001 [3] Hoàng Văn Chước,Giáo trình Kĩ thuật sấy ,NXB KHvàKT ,1999 [4] Lê Văn Hoàng ,Cá thịt và chế biến công nghiệp ,NXB KH và KT ,2004 [5] Nguyễn Phước Hoàng ,Thuỷ lực và máy thuỷ lực ,NXB ðH và THCN ,1979 [6] Nguyễn Văn May,Bơm quạt máy nén ,NXB KH và KT,2001 [7] Hoàng Dương Hùng ,Chuyên ñề năng lượng mặt trời ,ðH Bách Khoa ðà Nẵng Tên thông số Công thức tính Giá trị ðơn vị Hệ số toả nhiệt ra không khí α1 Chọn theo trao ñổi nhiệt ñối lưu 23,3 W/m 2K Hệ số toả nhiệt hướng lên trên 12 3,1 αα = 30,16 W/m 2K Hệ số truyền nhiệt qua lớp cách nhiệt ) 1 2 1 ( 21 1 αλ δ λ δ α +++= c c t tK 1,99 W/m2K Hệ số truyền nhiệt lên trên ) 11 ( 21 2 αλ δ α ++= Kc KK 7,43 W/m2K Khối lượng vỏ hộp tttv Fm ∑= δρ 31,3 Kg Khối lượng không khí tĩnh trong hộp thu kkk Vm ρ= 0,2 Kg Nhiệt dung riêng của cả bộ thu kkvv CmCmC += 15843 J/K Dòng nhiệt dung qua hộp ip FGCW iK∑+= 38,7 W/K Công suất hấp thụ max htFnDEP ε= 2040,3 W Tốc ñộ gia nhiệt cực ñại C P a = 0,1288 K/s Tần số dao ñộng riêng C b W = 0,00244 s-1 Tốc ñộ góc nτ ω ∏ = 2 7,27.10-5 Rad.s-1 KỶ YẾU HỘI NGHỊ “SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC” NĂM 2009 SVTH : Huỳnh Văn Thương ,Hồ Quang Vũ-Lớp 04N2 Trang 9