1. Bơm nhiệt và ứng dụng

1.1. Máy bơm nhiệt

Máy bơm nhiệt (heat pump) là một thiết bị hoạt động theo nguyên lý Nhiệt động lực học nhằm mục đích vận chuyển một lượng nhiệt từ môi trường này sang môi trường khác. [4] [5]

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt [6]

Cấu tạo của bơm nhiệt gồm 4 bộ phận cơ bản:

- Máy nén (Compressor)

- Giàn ngưng tụ (Condenser), còn được gọi là giàn nóng

- Van tiết lưu (Expansion valve)

- Giàn bay hơi (Evaporator), còn được gọi là giàn lạnh-

Máy bơm nhiệt là hệ thống kín, bên trong chứa tác nhân hoạt động tuần hoàn gọi là môi chất. Giàn lạnh đặt tại môi trường được lấy nhiệt (môi trường cung ứng nhiệt), giàn nóng đặt tại môi trường cần cung cấp nhiệt (môi trường dùng nhiệt).

Tại máy nén: Hơi môi chất có áp suất thấp, nhiệt độ thấp từ giàn bay hơi được máy nén hút vào và nén lên thành hơi có áp suất cao, nhiệt độ cao, sau đó hơi môi chất nóng được đưa vào  giàn ngưng tụ.

Tại giàn ngưng tụ (giàn nóng): Hơi môi chất nóng trao nhiệt cho chất nhận là không khí hoặc nước hoặc chất gì đó, chất nhận sẽ nhận nhiệt, tăng nhiệt độ lên; nhiệt độ tăng bao nhiêu tùy thuộc vào áp suất làm việc và loại môi chất của bơm nhiệt, có thể đạt từ 55 ÷ 120^oC [5]. Còn môi chất thì bị ngưng tụ chuyển trạng thái từ hơi sang lỏng. Sau ngưng tụ, môi chất lỏng được đưa tới van tiết lưu.

Tại van tiết lưu: Môi chất lỏng có áp suất cao và nhiệt độ cao thực hiện quá trình tiết lưu qua khe hẹp của van. Quá trình tiết lưu làm thay đổi trạng thái của môi chất lỏng: giảm áp suất, giảm nhiệt độ, một phần bị hóa hơi. Môi chất lỏng và hơi sau tiết lưu đi tiếp vào thiết bị bay hơi

Tại giàn bay hơi (giàn lạnh): Môi chất nhận năng lượng nhiệt từ môi trường cung ứng nhiệt (không khí, nước, đất…) để thực hiện quá trình sôi, chuyển trạng thái từ lỏng sang hơi và toàn bộ hơi này được hút về máy nén, thực hiện lại chu trình tiếp theo. Còn môi trường cung ứng nhiệt (không khí, nước, đất…) thì trao nhiệt cho môi chất, hạ nhiệt độ. Nhiệt độ của môi trường cung ứng nhiệt hạ xuống thấp đến bao nhiêu phụ thuộc vào áp suất làm việc của giàn bay hơi, loại bơm nhiệt và loại môi chất làm việc trong bơm nhiệt; có thể đạt trạng thái từ mát (>20^oC) đến lạnh thường (0 đến 20^oC), lạnh đông (0 đến -70^oC) hoặc thấp hơn [1] [4].

Máy bơm nhiệt thông thường chỉ cho phép di chuyển dòng nhiệt theo một chiều như lò sưởi, tủ lạnh, máy đông, kho lạnh, kho đông... Trong hệ thống, giàn nóng và giàn lạnh chỉ thực hiện một chức năng duy nhất, không thể thay thế cho nhau.

Máy bơm nhiệt thuận nghịch cho phép điều chỉnh và lựa chọn chiều di chuyển của dòng nhiệt. Trong hệ thống, giàn nóng và giàn lạnh có thể thay thế chức năng cho nhau: có thể chuyển vai trò từ giàn nóng sang làm giàn lạnh và ngược lại.

Trong tự nhiên, nhiệt lượng di chuyển từ nơi có nhiệt độ cao tới nơi có nhiệt độ thấp. Máy bơm nhiệt cho phép nhiệt lượng di chuyển theo chiều ngược lại mà chỉ cần sử dụng một lượng nhỏ năng lượng cung cấp từ điện, xăng dầu... để chạy máy. Do đó máy bơm nhiệt có thể vận chuyển lượng nhiệt lấy từ môi trường tự nhiên (như không khí, nước, đất, hoặc từ những hoạt động sản xuất và đời sống thải ra) đưa vào nơi cần tiêu thụ nhiệt.

1.2. Ưu điểm vượt trội của bơm nhiệt về mặt năng lượng

Về lý thuyết, nhiệt lượng được vận chuyển bởi máy bơm nhiệt tới nơi cần cung cấp sẽ bằng nhiệt lượng lấy từ môi trường cộng với năng lượng dùng để chạy máy bơm. [4] [5]:

Q₂ = Q₁ + L

Q₂: Nhiệt lượng môi trường 2 nhận được

Q₁: Nhiệt lượng lấy từ môi trường 1

L: Năng lượng chạy máy bơm

Nhờ ưu điểm tiêu thụ ít năng lượng hơn những thiết bị cung cấp nhiệt thông thường, máy bơm nhiệt là một cải tiến kĩ thuật quan trọng trong việc tiết kiệm năng lượng và giảm lượng khí thải độc hại ra môi trường như khí CO₂, khí SO₂, NO₂ so với thiết bị cung cấp nhiệt bằng chất đốt, góp phần bảo vệ môi trường.

Bảng 1. So sánh giữa dùng điện trực tiếp sinh nhiệt với dùng máy bơm nhiệt [5]

Trên thị trường mua bán máy bơm nhiệt, công ty Megasun, một nhà cung cấp máy bơm nhiệt để cung cấp nước nóng cho gia đình và cho các khách sạn, đã thực hiện tính toán và so sánh hiệu quả sử dụng của máy nước nóng dùng bơm nhiệt với máy nước nóng dùng điện trực tiếp, dùng khí hóa lỏng, dầu nhiên liệu… kết quả như sau: [7]

Hình 2. So sánh hiệu quả của máy nước nóng bơm nhiệt so với máy khác [7]

Ghi chú:       - Bơm nhiệt chạy bằng điện

                     - Nhiệt độ của nước ban đầu T₁ =  20^oC

                     - Nhiệt độ của nước sau khi đun nóng T₂ = 60^oC

Bảng 1 và hình 2 cho thấy, máy bơm nhiệt chỉ tiêu thụ lượng điện năng dưới 25% tổng năng lượng tạo ra. Do vậy khi sử dụng bơm nhiệt phục vụ cho sản xuất và đời sống cho phép tiết kiện được đến 75% tiền điện.

1.3. Ứng dụng của bơm nhiệt [3] [5]

Máy bơm nhiệt có thể ứng dụng trong các lĩnh vực sản xuất và đời sống:

• Sản xuất và lưu trữ nhiều chủng loại sản phẩm dưới dạng lạnh thường (0÷20^oC) hoặc lạnh đông (0 đến -70^oC hoặc thấp hơn)

• Điều hòa không khí (sưởi ấm, làm mát) gia dụng và công nghiệp.

• Sản xuất nước nóng, nước ấm, nước lạnh gia dụng và công nghiệp.

• Sản xuất hơi nước.

• Sấy khô thực phẩm và các vật liệu khác.

• Cung cấp năng lượng cho quá trình bay hơi và chưng cất trong sản xuất.

2. Giới thiệu mô hình hệ thống sấy khô thực phẩm bằng bơm nhiệt

2.1. Mô hình máy sấy thực phẩm bằng bơm nhiệt: [3]

Trong máy sấy bằng bơm nhiệt, ngoài các bộ phận thông thường cần có của một máy sấy, cần lắp thêm một máy bơm nhiệt theo sơ đồ sau:

Hình 3. Sơ đồ của máy sấy bằng bơm nhiệt [3]

Nguyên liệu sấy được xếp lên giá (2) cho vào buồng sấy (1).

Không khí khô được dẫn theo đường (3) đi vào buồng sấy.

Tại buồng sấy (1): Nguyên liệu nhận nhiệt từ không khí, một phần nhiệt để bay hơi nước, phần còn lại làm nhiệt độ của nguyên liệu tăng lên, tăng dần đến lúc cân bằng nhiệt độ với không khí thì dừng. Không khí khô thì truyền nhiệt cho nguyên liệu đồng thời nhận hơi ẩm từ nguyên liệu thoát ra. Cuối buồng sấy, không khí trở thành không khí ẩm và đi vào thiết bị bay hơi (7).

Tại thiết bị bay hơi (7): Không khí ẩm truyền nhiệt cho môi chất lỏng, nhiệt độ của không khí hạ xuống, đồng thời nước trong không khí cũng bị ngưng tụ tách ra thành nước ngưng. Còn môi chất lỏng thì nhận nhiệt từ không khí ẩm, thực hiện quá trình sôi, chuyển rạng thái từ lỏng thành hơi. Cuối quá trình, môi chất thu hồi được một lượng nhiệt; còn không khí ẩm thì trở thành không khí lạnh và khô hơn, đi tiếp qua thiết bị ngưng tụ (6).

Tại thiết bị ngưng tụ (6): Môi chất dạng hơi có nhiệt độ cao sẽ truyền nhiệt cho không khí lạnh, môi chất bị ngưng tụ, chuyển từ trạng thái hơi sang lỏng. Không khí lạnh và khô thì nhận nhiệt từ môi chất, tăng nhiệt độ đồng thời độ ẩm tương đối cũng giảm. Sau khi qua khỏi giàn nóng, không khí lạnh được gia tăng năng lượng, trở thành không khí khô có nhiệt độ cao hơn, độ ẩm tương đối thấp hơn so với trước đó, sau đó được quạt (8) đưa qua thiết bị gia nhiệt bổ sung (9).

Tại thiết bị gia nhiệt bổ sung (9): Không khí khô tiếp tục được gia nhiệt bởi calorifer. Cuối quá trình, không khí khô có nhiệt độ và độ ẩm tương đối phù hợp với chế độ sấy. Sau đó không khí khô qua đường dẫn (3) đi vào buồng sấy (1) để thực hiện chu trình sấy kế tiếp. Cứ tuần hoàn như vậy cho đến khi kết thúc quá trình sấy.

+ Ưu điểm cơ bản:

- Không khí tuần hoàn kín nên hạn chế được sự ô nhiễm môi trường do mùi tư sản phẩm bay ra, cũng như hạn chế được sự lây nhiêm vi sinh vật do không tiếp xúc với môi trường ngoài, đảm bảo được điều kiện vệ sinh tốt.

- Cho hiệu suất năng lượng cao, tiết kiệm năng lượng, vì thu hồi được nhiệt lượng ở phần khí thoát, tiêu thụ năng lượng ít hơn so với các phương pháp sấy khác.

- Đảm bảo chất lượng sản phẩm tốt hơn do nhiệt độ sấy thấp, thời sấy gian ngắn, kiểm soát được quá trình, đáp ứng tốt các yêu cầu sản xuất và kinh doanh.

- Có thể tạo ra các điều kiện sấy trong một phạm vi rộng như nhiệt độ sấy từ -dưới 20 đến 100^oC (với nhiệt phụ trợ) và độ ẩm tương đối của không khí từ 15% đến 80% (với hệ thống tạo ẩm), phù hợp với yêu cầu sấy của từng loại sản phẩm.

- Kiểm soát môi trường tuyệt hảo đối với các sản phẩm có giá trị cao cũng như giảm tiêu thụ điện năng đối với các sản phẩm có giá trị thấp khi sấy.

- Quá trình sấy hoàn toàn chủ động, không phụ thuộc vào khí hậu, thời tiết.

+ Nhược điểm:

- Thiết bị sấy phải có thêm hệ thống bơm nhiệt để làm lạnh và làm khô không khí sấy vì vậy trang bị ban đầu sẽ cao hơn thiết bị sấy thông thường.

- Có khả năng bị rò rỉ môi chất của bơm nhiệt ra ngoài làm ảnh hưởng đến môi trường xung quanh và chất lượng thực phẩm, đặc biệt là các hệ thống vẫn còn dùng môi chất CFC sẽ gây tác hại đối với bầu khí quyển.

- Đòi hỏi phải bảo dưỡng thường xuyên với máy nén, và nạp thêm môi chất cho bơm nhiệt.

Bảng 2. So sánh phương pháp sấy bằng bơm nhiệt với sấy chân không và sấy bằng không khí nóng. [2] [4]

Bảng 2 cho thấy hiệu suất năng lượng của bơm nhiệt khi sấy là cao nhất. Khả năng chuyển đổi ẩn nhiệt ngưng tụ thành nhiệt cảm (sensible heat) ở bộ ngưng tụ làm cho sấy bằng bơm nhiệt trở thành thiết bị thu hồi nhiệt độc đáo khi sấy. [1] [2] [4]

Vì vậy sấy bằng bơm nhiệt rất có lợi khi ứng dụng vào sấy thực phẩm, thay thế cho các phương pháp sấy truyền thống như sấy bằng lò sấy đốt bằng than, củi, dầu khí... Sấy bằng bơm nhiệt cho phép nhà sản xuất cải thiện được chất lượng sản phẩm, tiết kiệm được năng lượng đồng thời góp phần giảm ô nhiễm, bảo vệ môi trường tốt hơn.

3. Khả năng ứng dụng kỹ thuật sấy bằng bơm nhiệt để cải thiện chất lượng và tiết kiệm năng lượng cho quá trình sản xuất các sản phẩm khô thủy sản tại Bà Rịa - Vũng Tàu.

Thủy sản khô là một trong những sản phẩm vừa phục vụ xuất khẩu vừa phục vụ đắc lực cho thị trường nội địa như các loại khô mực, tôm khô, khô cá tẩm gia vị, khô thủy sản ăn liền… vai trò của ngành hàng khô ngày càng quan trọng hơn vì nó đơn giản, tiện dụng, nhất là sản phẩm khô chín tẩm gia vị ăn liền. Tuy nhiên tỷ lệ sản phẩm khô đạt tiêu chuẩn xuất khẩu còn khiêm tốn, chiếm tỷ trọng chưa đáng kể so với các mặt hàng thủy sản tươi sống, lạnh và lạnh đông.

Tính đến năm 2018, tất cả các xã, huyện ven biển đảo của tỉnh  Bà Rịa - Vũng Tàu đều có các cơ sở chế biến thủy sản khô dưới dạng hộ gia đình hoặc cơ sở sản xuất kinh doanh thủy sản, số lượng lên đến hàng trăm cơ sở. Theo công bố của Sở NN&PTNT Bà Rịa - Vũng Tàu, đến tháng 10/2014 chỉ 26 cơ sở sản xuất thủy sản khô đạt loại B đủ điều kiện đảm bảo vệ sinh – an toàn thực phẩm [8].

Về kỹ thuật và công nghệ, tỉnh Bà Rịa - Vũng tàu đã có nhiều thành tựu nhưng cũng còn khá nhiều bất cập như sau:

- Năm 2011, sáng kiến lò sấy cá bằng hơi nước của Xí nghiệp chế biến Thủy sản Xuất nhập IV - Công ty CP CBXNKTS tỉnh Bà Rịa-Vũng Tàu (Baseafood) ra đời và hoạt động hiệu quả. Ưu điểm của công nghệ này là phòng sấy hoàn toàn kín và cách ly với lò đốt, sản phẩm không tiếp xúc trực tiếp với chất đốt do đó không bị nhiễm bẩn. Công nghệ sấy đạt được 2 mục tiêu là vừa đảm bảo chất lượng, vừa giảm chi phí. Nhược điểm của công nghệ này là sử dụng các loại chất đốt khác nhau như than đá, vỏ điều, cao su, hay củi… gián tiếp thông qua hơi nước nóng, thay vì sử dụng trực tiếp như trước đây. Quá trình sấy được kiểm soát tốt hơn, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế: Trình độ nhân lực để vận hành- bảo dưỡng-sửa chữa, vốn đấu tư, môi trường, tiết kiệm năng lượng thực sự do công nghệ tạo ra hay chỉ do giảm bớt lãng phí?

- Tháng 11 năm 2012, Công ty Dryer Việt Nam đã chuyển giao hệ thống sấy thủy sản bằng điện điều khiển tự động cho đối tác là Công ty Cổ phần Hải Việt là một đơn vị chuyên chế biến thủy sản xuất khẩu. Với công nghệ và thiết bị này, quá trình sấy khô được kiểm soát tốt hơn, nhưng vấn đề vận hành và năng lượng vẫn còn nhiều tồn tại: Trình độ nhân lực, vốn đầu tư, tiết kiệm năng lượng?

- Năm 2013 Bà Rịa - Vũng Tàu nổi lên với thành tựu trong lĩnh vực sấy nông sản: Ông Nguyễn Đình Tường (xã Bình Giã, huyện Châu Đức) chế tạo thành công chiếc “lò sấy đứng”, dùng để sấy các loại nông sản. Lò sấy này tự động hoàn toàn từ khâu nạp nguyên liệu, trộn sấy, làm nguội đến đóng bao… Tuy nhiên hệ thống này không phù hợp với quá trình chế biến thủy sản khô.

- Năm 2018, đề tài “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lắp đặt hệ thống sấy mực ống bằng công nghệ sấy chân không trên tàu khai thác xa bờ có năng suất 200kg/mẻ” do Phân viện nghiên cứu hải sản phía Nam chủ trì. Tính đến tháng 5/2018 kết quả bước đầu của đề tài là nhóm nghiên cứu đã chế tạo thành công mô hình mẫu với công suất 10kg/mẻ. Đề tài này đạt được một số kết quả mang tính hàn lâm, nhưng hiệu quả trên thực tế tính khả thi chưa được kiểm định.

- Đối với công nghệ làm khô truyền thống như: Phơi dưới ánh nắng mặt trời, sấy bằng lò sấy thủ công cấp nhiệt bằng không khí nóng trực tiếp (từ điện trở, than đá, than củi, củi, trấu, vỏ hạt điều, dầu đốt, khí đốt, quạt điện…) ngày càng bộc lộ nhiều nhược điểm như: Không kiểm soát được các thông số của quá trình sấy (nhiệt độ, độ ẩm tương đối của không khí, tốc độ gió, lưu lượng gió); không kiểm soát được các biến đổi xấu của nguyên liệu và các yếu tố có hại lây nhiễm từ môi trường… gây ảnh hưởng xấu lên chất lượng và khả năng bảo quản sản phẩm; không kiểm soát được mức độ lãng phí năng lượng và khả năng gây ô nhiễm môi trường.

Chính vì vậy việc tìm giải pháp công nghệ và thiết bị sấy thủy sản hiệu quả hơn để thay thế cho công nghệ sấy khô thủy sản hiện có của tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu là cấp thiết.

Hình 4 ÷ 10. Một số hình ảnh về cách làm khô tại tại Bà Rịa - Vũng Tàu (nguồn ảnh: Internet)

Qua các thông tin và minh họa bên trên, có thể nói: Ứng dụng kỹ thuật sấy dùng bơm nhiệt thay thế cho các phương pháp sấy truyền thống đang dùng như lò sấy đốt bằng than, củi, dầu khí...  là cần thiết và khả thi.

Giải pháp sấy bằng bơm nhiệt cho phép cải thiện được chất lượng sản phẩm, tiết kiệm được năng lượng đồng thời giảm được khả năng gây ô nhiễm môi trường. Mặt khác còn có ý nghĩa nâng cao trình độ chế biến (hàm lượng khoa học công nghệ, cơ giới hóa, tự động hóa) cho ngành thủy sản tỉnh nhà, giúp cho việc sản xuất kinh doanh thủy sản khô ngày càng hiệu quả hơn.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1. Nguyễn Bin (2008), Các quá trình, thiết bị trong công nghệ hóa chất và thực phẩm (tập 4), NXB Khoa Học Và Kỹ thuật.
2. Nguyễn Trọng Cẩn, Đỗ Minh phụng, Nguyễn Việt Dũng, Nguyễn Anh Tuấn (2011), Công nghệ chế biến thực phẩm thủy sản tập II - Ướp muối, chế biến nước mắm, chế biến khô và thức ăn liền, NXB Khoa Học Và Kỹ thuật.
3. Nguyễn Anh Tuấn (2014), Bài giảng Kỹ thuật sản xuất sản phẩm sấy, Đại học Nha Trang (lưu hành nội bộ).
4. IEA, Heat Pump Centre (truy cập 31/8/2018), Heat Pump Technology, https://heatpumpingtechnologies.org/publications/ .
5. Tự điển Bách khoa toàn thư mở Wikipedia (truy cập 31/8/2018), Máy bơm nhiệt, https://vi.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1y_b%C6%A1m_nhi%E1%BB%87t
6. Công ty TNHH công nghệ & thương mại Phúc Khang Phát (đăng 28/05/2018), Máy bơm nhiệt (heat pump) là gì và ưu điểm của nó, https://jakivavietnam.com/may-bom-nhiet-heat-pump-la-gi-va-uu-diem-cua-no.
7. Công ty TNHH SX Megasun (truy cập 31/8/2019), Máy nước nóng bơm nhiệt là gì?, http://megasunsolar.vn/may-bom-nhiet-la-gi-heat-pump.html.
8. Sở Nông nghiệp và PTNT tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu (đăng 07/10/2014), Danh sách các cơ sở sản xuất kinh doanh Thủy sản - Nông sản đạt loại B - đủ điều kiện, http://sonnptnt.baria-vungtau.gov.vn/web/guest/thong-tin-trong-nganh1/-/brvt/extAssetPublisher/content/1036220/danh-sach-cac-co-so-san-xuat-kinh-doanh-thuy-san-nong-san-dat-loai-b-du-dieu-kien.

PGS.TS. Nguyễn Anh Tuấn, TS. Nguyễn Hữu Nghĩa và NCS. Nguyễn Xuân Duy