Quá trình lm lạnh v tách ẩm trong sấy lạnh dùng bơm nhiệt ThS. nguyễn mạnh hùng Bộ môn Kỹ thuật nhiệt Khoa Cơ khí - Trờng ĐH GTVT PGS. TS. nguyễn đức lợi Đại học Bách khoa H Nội Tóm tắt: Bi báo bn về quá trình lm lạnh v tách ẩm từ dòng không khí đi qua dn bay hơi bơm nhiệt dùng trong hệ thống sấy v trong dn lạnh dùng nớc lạnh hoặc nớc muối lạnh có hớng chuyển động cùng chiều hoặc ngợc chiều. Từ hiệu quả của trao đổi nhiệt ngợc chiều, bi báo cũng đề nghị một hệ thống mắc nhiều bơm nhiệt nối tiếp để tiết kiệm năng lợng vận hnh. Summary: The article discus on the process of Refrigeration and Dehumiditation of the airstream in the evaporator of a heat pump using in a drying system and in a cooler using cold water or cold brine with parallel and counter flow. From the effectiveness of the counterflow heat exchanger the article propose a system of many separate heat pump connection in row to save energy. i. Mở đầu Có nhiều tài liệu [1, 2, 3] đã đề cập đến quá trình làm lạnh và tách ẩm trong sấy lạnh dùng bơm nhiệt nói riêng và trong kỹ thuật sấy dùng bơm nhiệt nói chung. Theo chúng tôi, cần bàn luận thêm về cách lý giải trong [2 và 3] về đờng cong biến đổi trạng thái không khí. Vì quá trình làm lạnh và tách ẩm trong sấy lạnh dùng bơm nhiệt là rất quan trọng nên chúng tôi cũng đi sâu nghiên cứu về vấn đề này. Sau đây là những kết quả nghiên cứu đó. ii. Nguyên lý hệ thống sấy bơm nhiệt Hình 1 giới thiệu nguyên lý hệ thống sấy dùng bơm nhiệt. Gió ẩm từ buồng sấy đợc quạt đẩy vào dàn lạnh. ở đây, gió đợc làm lạnh và khử ẩm, sau đó đợc sởi ấm đẳng dung ẩm ở dàn nóng rồi đợc phân phối đều vào buồng sấy. Trong buồng sấy, gió nhận ẩm của sản phẩm thành không khí ẩm và đợc đa trở lại dàn lạnh để làm lạnh và tách ẩm, khép kín vòng tuần hoàn. Nớc thoát ra ở dàn lạnh đợc gom vào khay và dẫn vào thùng chứa định lợng. Nhờ lợng nớc ngng thu đợc ngời ta biết đợc giai đoạn sấy và thời gian kết thúc nếu sấy theo mẻ. Sấy bằng bơm nhiệt là quá trình sấy kín. Tác nhân sấy là không khí không đi qua biên của buồng sấy nh những phơng pháp sấy thông thờng. Giá xếp sản phẩm Buồng sấy Khay nớc ngng Dàn nóng Dàn lạnh Quạt ống gió Máy nén TL Hình 1. iii. Phân loại quá trình lm lạnh tách ẩm trong dn lạnh Có thể phân loại quá trình làm lạnh tách ẩm ở dàn lạnh theo nhiệt độ dàn lạnh. Nhiệt độ dàn lạnh có thể bằng, thấp hơn và cao hơn nhiệt độ điểm sơng. Cũng có thể phân loại quá trình tách ẩm ở dàn lạnh theo sự biến đổi nhiệt độ ở các hàng ống trong dàn lạnh nớc muối hoặc nhiều dàn lạnh trực tiếp đặt nối tiếp nhau. Sau đây chúng ta sẽ xét một số trờng hợp đó. 3. 1. Nhiệt độ bề mặt dàn lạnh lớn hơn nhiệt độ điểm sơng Trờng hợp này, không khí không có khả năng tách ẩm. Không khí chỉ có thể đợc làm lạnh đẳng dung ẩm với độ ẩm tơng đối tăng. Với giả thiết bề mặt dàn lạnh có nhiệt độ giống nhau, trạng thái của không khí ra càng gần điểm 2, khi bề mặt trao đổi nhiệt của dàn lạnh càng lớn (xem hình 2). 1 2 2 s t S d 1 = d i = 100% 2 d Hình 2. Trờng hợp nhiệt độ dàn lạnh cao hơn nhiệt độ điểm sơng thì không khí chỉ có thể đạt đến điểm 2 là điểm có nhiệt độ bề mặt dàn lạnh. Các điểm trên đờng 1 - 2 biểu diễn trạng thái hoà trộn sau mỗi hàng ống của dàn lạnh. Nếu dàn lạnh có nhiệt độ t S thì không khí sẽ đạt đến điểm 2 S có nhiệt độ t S và độ ẩm tơng đối đạt 100% nhng vẫn không có đọng sơng trên bề mặt lạnh, tuy bề mặt lạnh có thể lớn vô hạn. 3. 2. Nhiệt độ bề mặt dàn lạnh nhỏ hơn nhiệt độ điểm sơng Hình 3 biểu diễn quá trình này. Khi nhiệt độ bề mặt dàn lạnh thấp hơn nhiệt độ điểm sơng t S với giả thiết nhiệt độ dàn lạnh không đổi, ví dụ, dàn lạnh bay hơi trực tiếp có nhiệt độ bay hơi t 0 không đổi hoặc dàn nớc phun với nhiệt độ nớc phun là đồng đều. d i 1 2 2 2 2 t ' '' ''' S = 100% Hình 3. Quá trình biến đổi trạng thái này nằm trên đờng thẳng nối liền giữa điểm 1 và điểm 2. Bề mặt trao đổi nhiệt càng lớn, trạng thái không khí ra khỏi dàn lạnh càng xích gần đến điểm 2 nằm trên đờng bão hoà. Các điểm 2', 2", 2''' là các điểm hoà trộn giả thiết sau mỗi hàng ống của không khí đi vòng và không khí tiếp xúc với bề mặt dàn lạnh. Nh vậy, muốn làm lạnh và khử ẩm nhất thiết phải có nhiệt độ bề mặt dàn lạnh thấp hơn nhiệt độ đọng sơng. Lợng ẩm tách ra là d 1 - d 2 . 3.3. Nhiệt độ dàn lạnh thay đổi và không khí chuyển động ngợc chiều với chất tải lạnh Hình 4 biểu diễn quá trình thay đổi trạng thái không khí nhiệt độ dàn lạnh thay đổi (ví dụ dàn nớc muối lạnh) chuyển động ngợc chiều với dòng không khí đợc làm lạnh. ở hàng ống a, nhiệt độ nớc muối là t a , nhiệt độ không khí là t 1 . Giả thiết có 15% không khí có trao đổi nhiệt với bề mặt lạnh và đạt nhiệt độ ta. Khi hoà trộn với 85% không khí đi vòng qua dàn lạnh, ta đợc điểm hoà trộn 2' nằm trên đờng thẳng nối giữa điểm 1 và t a . ở hàng ống b cũng vậy. ở đây điểm hoà trộn 2" nằm trên đờng thẳng nối giữa điểm 2" và t b . Tơng tự điểm 2''' nằm trên đờng thẳng nối giữa điểm 2" và t c , điểm 2 (không khí ra khỏi dàn) nằm trên đờng thẳng nối hai điểm 2''' và t d . Trạng thái không khí biến đổi theo 1 đờng cong lõm. Và nếu bề mặt trao đổi nhiệt là vô hạn thì trạng thái không khí ra tiến gần đến điểm t d nằm trên đờng bão hoà. 1 ''' 2 2 '' ' 2 2 t S a t b t c t d t ab cd d i = 100% Chất tải lạnh Không khí Hình 4. 3.4. Nhiệt độ dàn lạnh thay đổi và không khí chuyển động cùng chiều với chất tải lạnh t d S Chất tải lạnh khí t t a dc ba t c b Không d = 100% 2 2 2 t 2 ''' '' 1 ' Hình 5. Hình 5 biểu diễn quá trình thay đổi trạng thái của không khí khi nhiệt độ dàn, chất tải lạnh thay đổi và dòng không khí chuyển động cùng chiều với chất tải lạnh. Các hàng ống vẫn bố trí nh hình 4, dòng không khí vẫn đi từ phải sang trái. Khi đó hàng ống a sẽ có nhiệt độ lạnh nhất, mà không khí lại có nhiệt độ cao nhất nên điểm hoà trộn 2' nằm trên đờng thẳng nối điểm 1 và t a . Điểm hoà trộn 2" nằm trên đờng nối điểm 2't b và tơng tự điểm hoà trộn 2''' nằm trên đờng nối 2 điểm 2''t c và điểm không khí ra 2 là điểm hoà trộn nằm trên đờng nối giữa 2''' và t d . Ta dễ dàng nhận thấy đây là 1 đờng cong lồi. So sánh hiệu quả khử ẩm ta thấy trực quan là chuyển động ngợc dòng hiệu quả hơn. Để tăng cờng hiệu quả tách ẩm và giảm tổn thất exergy ta có thể thiết kế nhiều bơm nhiệt nối tiếp để tăng hiệu quả tách ẩm với nhiệt độ bay hơi và ngng tụ khác nhau có chủ định nh giới thiệu trong hình 6. 40 20 0 40 0 C C t, 0 30 C 0 0 0 C -10 C 0 Biến thiên nhiệt độ không khí 20 0 C t 0 = 0 C 0 -40 C =t 0 0 30 C =t R 0 40 C =t R 0 Không khí ra 25 C 0 Hình 6. iv. kết luận Với các phơng án bố trí bơm nhiệt không khí/không khí với nhiệt độ bay hơi khác nhau liên tiếp có thể tạo ra đợc hiệu quả của thiết bị trao đổi nhiệt ngợc chiều, giảm tiêu thụ điện năng đáng kể. Chúng tôi sẽ bàn đến vấn đề này ở một bài báo sau. Tài liệu tham khảo [1]. Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tuỳ. Hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt ở Haihaco - Tạp chí KHCN Nhiệt, số 2 năm 1998. [2]. Phạm Văn Tuỳ, Nguyễn Thanh Liêm, Dơng Văn Vờng. Bơm nhiệt không khí/không khí với công nghệ hút ẩm và sấy khô. Tạp chí KHCN Nhiệt, số 5 năm 2001. [3]. Phạm Văn Tuỳ, Nguyễn Thanh Liêm, Nguyễn Phong Nhã. Khả năng sấy lạnh và khử ẩm của bơm nhiệt không khí /không khí. Tuyển tập công trình khoa học, Hội nghị Khoa học ĐH Bách khoa Hà nội, tháng 10 năm 2001 . đến quá trình làm lạnh và tách ẩm trong sấy lạnh dùng bơm nhiệt nói riêng và trong kỹ thuật sấy dùng bơm nhiệt nói chung. Theo chúng tôi, cần bàn luận thêm về cách lý giải trong [2 và 3] về. vào buồng sấy. Trong buồng sấy, gió nhận ẩm của sản phẩm thành không khí ẩm và đợc đa trở lại dàn lạnh để làm lạnh và tách ẩm, khép kín vòng tuần hoàn. Nớc thoát ra ở dàn lạnh đợc gom vào. thống sấy bơm nhiệt Hình 1 giới thiệu nguyên lý hệ thống sấy dùng bơm nhiệt. Gió ẩm từ buồng sấy đợc quạt đẩy vào dàn lạnh. ở đây, gió đợc làm lạnh và khử ẩm, sau đó đợc sởi ấm đẳng dung ẩm