TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU
LỊCH SỬ PHÁT TRIỂN CỦA BẾP LÒ
Từ xưa đến nay chúng ta đã được nghe qua rất nhiều câu chuyện về sự tích
Chiếc bếp lò, biểu tượng của Ông Táo, Bà Táo và thần lửa, đã trở thành một dụng cụ thiết yếu trong mỗi gia đình từ thời kỳ con người biết tạo ra lửa để nấu chín thực phẩm Qua hàng ngàn năm, bếp lò đã trải qua nhiều biến đổi về hình dáng và công nghệ, phản ánh sự tiến bộ của nhân loại Các nhà khoa học và khảo cổ học đã ghi chép lại quá trình phát triển này như một phần quan trọng trong lịch sử văn minh nhân loại.
Hình 1.1 Bếp củi truyền thống
Các nhà khảo cổ học cho rằng con người bắt đầu sử dụng lửa cách đây khoảng 1 triệu năm Thời gian từ khi biết dùng lửa đến khi biết nấu chín thức ăn không kéo dài lâu, vì thực phẩm nấu chín thường ngon hơn và dễ tiêu hóa hơn so với thực phẩm sống Những chứng tích từ thời đồ đá, như các lỗ hõm vào mặt đất có miếng đá bên trong, chứng minh vị trí đốt lửa Thực phẩm thường được xiên qua cây và nướng trên ngọn lửa, hoặc cuộn trong đất sét và lá cây rồi vùi vào than hồng.
Trong thời trung cổ, phương pháp nấu ăn vẫn giữ nguyên nhiều đặc điểm truyền thống Thay vì nấu trực tiếp trên nền đất, lò được nâng cao bằng các chân hoặc phiến đá Tuy nhiên, vào thời điểm này, việc thoát khói vẫn là một thách thức, và người ta chỉ sử dụng các đường rạch thô sơ trên tường hoặc nóc để khói có thể thoát ra.
Từ thế kỷ thứ 9, lò đốt lửa đã được cải tiến thành lò sưởi, di chuyển từ giữa phòng vào một cạnh tường và được thiết kế thêm ống dẫn khói ra ngoài Ban đầu, ống dẫn khói được làm bằng gỗ, nhưng đến cuối thế kỷ 13, nó đã được chế tạo từ đá Đến cuối thế kỷ 19, lò bằng gang, còn gọi là máy nấu, đã xuất hiện với nhiều kích cỡ và hình dạng khác nhau, được chạm trổ và điêu khắc như một vật trang trí trong nhà.
Trong bối cảnh máy nấu đang trở nên phổ biến, bếp gas đã ra đời như một phát minh mới vào cuối thế kỷ 19 tại Đức Loại bếp này nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi từ thế kỷ 19 sang thế kỷ 20, nhờ vào những lợi thế vượt trội của nó Bếp gas mang lại nhiệt năng tập trung hơn, đáp ứng tốt nhu cầu nấu nướng của người dùng.
Qua phát minh này, người ta tiết kiệm rất nhiều năng lượng và thời gian Ngoài ra không có khói, không có tro và bồ hóng.
Bếp điện đầu tiên được giới thiệu tại triển lãm thế giới năm 1893 ở Chicago, đánh dấu sự khởi đầu của nhiều phương pháp nấu ăn hiện đại Ngày nay, các gia đình sử dụng nhiều kỹ thuật nấu chín khác nhau như hơi nóng, hơi lạnh, nướng và vi sóng Vi sóng hoạt động ở tần số cao, với sóng điện tử nằm giữa sóng radio và sóng hồng ngoại, tác động trực tiếp lên các phân tử nước trong thực phẩm mà không tạo ra nhiệt Khi bị ảnh hưởng bởi sóng, các phân tử nước xoay và cọ xát với nhau, sinh ra nhiệt để làm nóng thực phẩm, trong khi chén dĩa chỉ nóng lên do nhiệt năng truyền từ thực phẩm.
Từ năm 1984, phương pháp nấu bằng cảm ứng đã xuất hiện trên thị trường, tương tự như bếp điện với mặt bếp bằng caran Điểm khác biệt nổi bật là bếp cảm ứng không nóng nếu không có nồi đặt lên Bằng cách sử dụng cuộn đồng cảm ứng, dòng điện hai chiều tạo ra từ trường thay đổi nhanh chóng Khi nồi nấu bằng kim loại có từ tính được đặt lên bếp, từ trường này tạo ra điện áp ở đáy nồi, dẫn đến dòng điện eddy current chạy trong đáy nồi, làm nóng nhanh chóng cả đáy nồi và thực phẩm bên trong.
Nấu ăn bằng bếp từ là phương pháp tiết kiệm năng lượng hiệu quả Nồi có khả năng phản ứng nhanh với sự thay đổi nhiệt độ, tương tự như bếp gas, và thời gian làm nóng cũng nhanh hơn so với bếp gas.
Như vậy, với sự phát triển của khoa học kĩ thuật thì những chiếc bếp ngày trước
Bếp "cồng kềnh" hiện nay đã được cải tiến với thiết kế đẹp mắt và sang trọng hơn Các công nghệ tiên tiến được áp dụng giúp tiết kiệm thời gian và dễ dàng trong việc vệ sinh hàng ngày cho các chị em nội trợ.
TÌNH HÌNH CẢI TIẾN BẾP LÒ TRÊN THẾ GIỚI
Thuật ngữ bếp cải tiến bắt đầu xuất hiện từ thế kỷ XX được gọi là ICS (viết tắt của Improved Cook Stove).
Bếp cải tiến là loại bếp tiết kiệm nhiên liệu và giảm khói so với bếp truyền thống, giúp nấu cùng một lượng thực phẩm hiệu quả hơn Trước tình hình thiếu hụt chất đốt trên toàn cầu, nhiều quốc gia đã tích cực nghiên cứu và phát triển bếp đun cải tiến, đặc biệt là ở Châu Phi từ những năm 1980.
Tổ chức GTZ đã phát triển và cung cấp bếp cải tiến cho người dân địa phương, bán tại các chợ Một bộ phận chuyên trách đã được thành lập để đảm bảo mỗi hộ gia đình có ít nhất một bếp cải tiến Tuy nhiên, do thiếu cơ chế chính sách, sau khi chương trình kết thúc, số lượng bếp cải tiến có xu hướng giảm do không còn nhận được hỗ trợ tài chính.
Vào năm 2003, Trung tâm xúc tiến năng lượng thay thế (AEPC) phối hợp với Sở Khoa học Công nghệ - Khoa học Môi trường Nepal đã triển khai chương trình nghiên cứu và phát triển bếp đun cải tiến tại 30 trong số 75 huyện, với tổng số khoảng 250.000 bếp được lắp đặt.
Năm 2008, tổ chức VPA (Voluntary Program Activities) đã tiến hành nghiên cứu cải tiến bếp kiềng tại Peru, xây dựng 82.099 bếp với mục tiêu giảm 74.233 tấn gỗ và 331.754 tấn CO2 mỗi năm đến năm 2011 Việc sử dụng bếp truyền thống không chỉ gây ô nhiễm môi trường mà còn dẫn đến nhiều bệnh lý về hô hấp Theo dữ liệu từ VPA, năm 2004, có 2.500 trẻ em dưới 14 tuổi tử vong tại Peru, và trung bình mỗi năm trên thế giới có 1.000 người chết do hít phải khí thải từ bếp truyền thống.
Nghiên cứu đã xác định được một số lợi ích thu được từ việc sử dụng bếp cải tiến như sau:
- Giảm nhu cầu sử dụng năng lượng không tái tạo.
- Giảm khí CO 2 và bảo vệ rừng địa Phương.
- Giảm khói, cải thiện chất lượng không khí trong nhà, bảo vệ sức khỏe.
- Tiết kiệm gỗ, thời gian và kinh phí.
- Bảo vệ rừng hiệu quả trong việc bảo tồn và phòng chống xói mòn đất.
- Giảm các chất khí có hại.
ỨNG DỤNG BẾP LÒ CẢI TIẾN Ở VIỆT NAM
Tại Việt Nam, sự suy giảm nhanh chóng của diện tích rừng đã thúc đẩy nghiên cứu và cải tiến các bếp tiết kiệm củi từ rất sớm Vào năm 2000, tổ chức ECO cùng với dự án LSNG đã tiến hành thử nghiệm 6 mẫu bếp tại huyện Ba Bể, tỉnh Bắc Cạn.
Năm 2007, Trung tâm năng lượng tái tạo và cơ chế phát triển sạch, thuộc Viện Năng lượng, được giao thực hiện dự án "Triển khai diện rộng bếp đun cải tiến tiết kiệm năng lượng sử dụng phụ phẩm nông, lâm nghiệp tại các hộ gia đình nông thôn" trong khuôn khổ Chương trình mục tiêu quốc gia về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả Chương trình này đã được triển khai rộng rãi, nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng trong các hộ gia đình nông thôn.
Tại ba tỉnh Phú Thọ, Thanh Hoá và Hòa Bình, đã có 1500 bếp cải tiến được lắp đặt Kết quả sơ bộ cho thấy, mỗi hộ gia đình sử dụng bếp đun cải tiến có thể tiết kiệm từ 1,4 đến 1,5 tấn củi mỗi năm.
Vào năm 2011, Hội Liên hiệp phụ nữ huyện Định Hóa, tỉnh Thái Nguyên đã tiến hành thử nghiệm bếp lò cải tiến tại hai xã Bình Thành và Bộc Nhiêu, với tổng số 116 bếp xách tay và 14 bếp xây cố định được triển khai.
Nghiên cứu cải tiến bếp tiết kiệm củi đang thu hút sự quan tâm của nhiều tổ chức và cá nhân Tuy nhiên, các nghiên cứu hiện tại chủ yếu chỉ tập trung vào việc tiết kiệm nguồn nhiên liệu củi, dẫn đến tình trạng khai thác gỗ và củi từ rừng vẫn diễn ra một cách bừa bãi.
Hình 1.2 Bếp tiết kiệm năng lượng TK90
Việc sử dụng chất thải nông nghiệp làm nguồn năng lượng đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi, bao gồm sản xuất củi trấu, than cốt dừa và khí gas từ chất thải.
Chi phí sản xuất cao khiến sản phẩm than bánh chỉ thích hợp cho các lò sấy, không phù hợp với nhu cầu nấu ăn của hộ gia đình dân tộc thiểu số Do đó, sáng kiến thiết kế bếp sử dụng lõi ngô cho việc nấu ăn hàng ngày vẫn chưa được phổ biến.
CÁC LOẠI BẾP ĐUN, LÒ ĐỐT
Bếp ba chân là một loại bếp đơn giản được cấu tạo từ ba cục đá, ba viên gạch hoặc vành thép với ba chân Nhiên liệu chính sử dụng cho bếp này là các phụ phẩm nông - lâm nghiệp như rơm, rạ, lõi ngô, trấu và củi.
Tại Việt Nam, nhiều hộ nông dân, đặc biệt ở khu vực miền núi và nông thôn, vẫn thường sử dụng củi, rơm, rạ và các loại nhiên liệu tự nhiên khác để nấu ăn hàng ngày Theo nghiên cứu, khoảng 56% dân số Việt Nam hiện vẫn đang phụ thuộc vào củi cho việc đun nấu hàng ngày.
Loại bếp này có hiệu suất nhiệt thấp, dẫn đến việc đun nấu tạo ra nhiều khói bụi và khí độc hại Những chất thải này không chỉ gây hại cho mắt mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến đường hô hấp, từ đó tác động tiêu cực đến sức khỏe của người sử dụng.
Bếp ba mặt lò là loại bếp được thiết kế kín, cho phép đặt nồi lên tấm sắt hoặc trực tiếp trên lửa Ưu điểm nổi bật của bếp này là giảm thiểu lượng củi tiêu thụ và ngăn chặn tro than văng ra ngoài, mang lại sự tiện lợi và an toàn cho người sử dụng.
Hình 1.3 Bếp lò di động tự đắp
Bếp lò sử dụng than tổ ong, trấu và dăm bào ép: Chất đốt sử dụng là than tổ ong hoặc dăm bào và trấu ép.
Bếp lò cải tiến được thiết kế với vòng kê nồi có đường kính đa dạng, phù hợp với nhiều kích cỡ nồi khác nhau Khi tháo vòng ra, người dùng có thể nấu trực tiếp trên ngọn lửa, trong khi sử dụng vòng thì nấu gián tiếp qua miếng sắt Tuy nhiên, do đáy nồi thường cong, hiệu quả tiếp xúc nhiệt không cao, vì vậy nấu bằng cách treo nồi trực tiếp trên ngọn lửa vẫn mang lại hiệu quả tốt hơn.
Hình 1 4 Bếp lò tự xây có nhiều vòng
Bên dưới mặt bếp có một hệ thống ống nước để nấu nóng nước Nước được làm nóng bằng ngọn lửa đốt nóng ống dẫn qua lò.
1.4.3 Bếp hóa khí (Bếp ga sinh học)
Là loại bếp đốt yếm khí nhiên liệu từ buồng chứa tạo ra khí gas sinh học [6].
Hình 1.5 Bếp gas hóa khí
1.4.4 Bếp Gas Đây là loại bếp dùng nhiên liệu là khí hóa lỏng LPG, được sử dụng phổ biến nhất hiện nay và thường hay gặp ở hầu hết các gia đình ở thành phố.
Hình 1.6 Bếp ga sử dụng khí hóa lỏng Ưu điểm:
Nhiên liệu gas là lựa chọn phổ biến nhờ giá thành rẻ và dễ sử dụng trong nấu ăn Với khả năng gia nhiệt tùy chọn và kiểm soát ngọn lửa linh hoạt, gas giúp nấu nướng nhanh chóng và hiệu quả Hơn nữa, nó không kén nồi nấu, cho phép sử dụng hầu hết các loại nồi với chất liệu và đường kính khác nhau, miễn là phù hợp với kiềng và bề mặt bếp.
Hiệu suất của bếp gas chỉ đạt 60% do lãng phí nhiệt năng trong quá trình đốt nóng không khí, đồng thời sản sinh nhiều khí CO gây ảnh hưởng xấu đến môi trường Hơn nữa, tình trạng rò rỉ khí gas có thể dẫn đến ngộ độc hoặc cháy nổ, tạo ra nguy hiểm cho người sử dụng Thiết kế kiềng bếp và vòng lửa liền khối cũng gây khó khăn trong việc vệ sinh bếp.
Bếp điện sử dụng dây điện trở có đặc điểm giữ nhiệt kém, tuổi thọ ngắn và hiệu suất nhiệt không cao Mặc dù vậy, loại bếp này có giá thành rẻ và dễ dàng thay thế.
Hình 1.7 Bếp điện sử dụng dây điện trở
Bếp điện từ, hay còn gọi là bếp từ, là thiết bị nấu ăn hoạt động dựa trên nguyên lý tăng nhiệt nhờ dòng điện cảm ứng từ Dòng điện xoay chiều đi qua dây lò xo tạo ra từ trường, và các đường cảm ứng điện từ trong từ trường này tác động lên phần đế bằng sắt dưới đáy nồi, tạo ra nhiều dòng điện cảm ứng nhỏ Những dòng điện này làm nóng thân nồi, từ đó giúp đun nấu thức ăn một cách hiệu quả.
Hình 1.8 Bếp từ Midea MI-SV21DM
Bếp hồng ngoại là thiết bị nấu ăn hiện đại, sử dụng năng lượng điện và tia hồng ngoại xa để làm nóng thực phẩm Với công nghệ siêu cao tần, bếp này cho phép kiểm soát nhiệt độ và thời gian nấu một cách chính xác, đồng thời không phát ra bức xạ điện từ, đảm bảo an toàn cho sức khỏe Đây là lựa chọn lý tưởng cho việc nấu nướng trong gia đình.
Hình 1.9 Bếp hồng ngoại Sanaky SNK2102HG
THỰC TRẠNG BẾP ĐUN SỬ DỤNG NHIÊN LIỆU SINH KHỐI HIỆN NAY 11 1 Bếp kiềng ba chân
Bếp được thiết kế với ba điểm tựa để đặt xoong nồi, có thể sử dụng đá, gạch hoặc các vật liệu khác Chất đốt được cung cấp cho vùng đốt từ nhiều hướng khác nhau để phục vụ nhu cầu nấu nướng.
Bếp kiềng ba chân là một loại bếp phổ biến tại các vùng quê, nổi bật với tính dễ sử dụng và khả năng phù hợp với nhiều kích cỡ xoong nồi Loại bếp này có thể sử dụng đa dạng các dạng nhiên liệu sinh khối Tuy nhiên, bếp truyền thống thường gặp phải vấn đề tổn thất nhiệt lớn, kèm theo khói và bụi, điều này có thể ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của người sử dụng.
Hình 1.11 Bếp lò di động.
Bếp được làm từ đất sét và phụ gia hoặc thép phế liệu, sử dụng than củi, than đá, củi gỗ và phụ phẩm xenlulozo làm chất đốt Loại bếp này có kích thước nhỏ gọn, dễ di chuyển, chi phí thấp và hiệu suất nhiệt cao hơn bếp truyền thống, nên rất phổ biến trên thị trường.
Chỉ dùng được cho các loại nồi nhỏ, đỡ bụi nhưng lượng khói vấn còn nhiều.
1.5.3 Bếp lò cải tiến không khói.
Hình 1.12 Bếp lò cải tiến.
Bếp được làm từ đất sét và gạch, có khả năng sử dụng với nhiều loại nhiên liệu khác nhau, mang lại hiệu suất nhiệt cao Với thiết kế ống dẫn khói gọn gàng, bếp không chỉ sạch sẽ mà còn đảm bảo sức khỏe cho người sử dụng.
Bếp được xây dựng tại vị trí cố định, không thể di chuyển và có kích thước miệng bếp nhất định, do đó chỉ phù hợp với một số loại xoong nồi có kích thước cụ thể.
1.5.4 Các loại bếp cải tiến tiết kiệm năng lượng.
Bếp tiết kiệm năng lượng là công nghệ sử dụng hiện tượng đối lưu không khí và chất đốt đa dạng, như Biogas, với hiệu suất nhiệt cao Thiết kế của bếp này giúp tập trung nhiệt lượng và giảm thiểu tổn thất nhiệt ra môi trường, khác biệt so với bếp truyền thống "kiềng ba chân" mà nhiều hộ dân nông thôn đang sử dụng.
Bếp TKNL di chuyển dễ dàng và có khả năng giảm thiểu khí thải CO, SO2, NOx, với năng lượng chuyển hóa thành nhiệt lên đến 80-90%, giúp giảm thiểu bụi than và khí thải Việc lựa chọn bếp tiết kiệm năng lượng là giải pháp tối ưu, đơn giản và tiết kiệm chi phí cho các hộ gia đình nông thôn, thay thế các phương pháp nấu nướng truyền thống.
Kết quả thu thập ý kiến từ các hộ gia đình cho thấy bếp cải tiến mang lại hiệu quả cao, giảm khoảng 30% tiêu thụ chất đốt và hoàn toàn không phát sinh khói bụi Thời gian đun nấu một bữa ăn cũng giảm đáng kể, chỉ còn gần một phần ba thời gian so với trước đây.
Theo các kết quả ban đầu, mỗi hộ gia đình sử dụng bếp đun cải tiến có thể tiết kiệm từ 1,4 đến 1,5 tấn củi mỗi năm, bao gồm cả việc nấu ăn và nấu cám lợn Điều này tương đương với một mức tiết kiệm năng lượng đáng kể.
Bếp đun cải tiến với trọng lượng 950 kg so với cám 6 có tiềm năng lớn trong việc tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường Nếu mô hình này được nhân rộng ra nhiều hộ gia đình và địa phương, hiệu quả kinh tế sẽ rất đáng kể.
Có ba loại bếp cơ bản dựa trên nguồn nhiên liệu sử dụng: bếp năng lượng mặt trời, bếp khí sinh học biogas và bếp điện tử.
1.5.4.1 Bếp sử dụng năng lượng mặt trời
Bếp sử dụng năng lượng mặt trời rất đa dạng, nhưng hai loại phù hợp nhất với điều kiện Việt Nam là bếp hình hộp và bếp chảo parabol Những bếp này tận dụng nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường Tuy nhiên, chúng cũng có những hạn chế như phụ thuộc vào thời tiết, chỉ hoạt động hiệu quả trong mùa nắng nóng và yêu cầu phải nấu nướng ngoài trời, cần điều chỉnh nhiệt độ theo hướng di chuyển của mặt trời.
Bếp năng lượng mặt trời có giá thành cao, dao động từ 800.000đ đến 1,4 triệu đồng tùy vào chất liệu và cơ sở sản xuất Vì vậy, loại bếp này chưa được sử dụng phổ biến, chỉ thích hợp cho những khu vực có nhiều nắng và thiếu các nguồn năng lượng khác.
Hình 1.13 Bếp parabol sử dụng năng lượng mặt trời 1.5.4.2 Bếp sử dụng khí sinh học biogas
Biogas là khí được tạo ra từ quá trình phân hủy phân động vật và chất hữu cơ trong môi trường thiếu oxy Quá trình này do vi sinh vật thực hiện, dẫn đến sự hình thành các khí như metan (CH4), nitơ (N2), cacbon dioxit (CO2) và hydro sulfide.
(H 2 S) Trong đó, khí CH 4 có thể cháy được.
Hầm khí biogas là giải pháp lý tưởng cho các hộ chăn nuôi gia súc, giúp bảo vệ môi trường bằng cách tận dụng chất thải gia súc, giảm ô nhiễm Việc sử dụng khí CH4 từ hầm biogas không chỉ tiết kiệm chi phí năng lượng cho nấu nướng, chiếu sáng và phát điện mà còn mang lại nhiều lợi ích kinh tế Tuy nhiên, hệ thống biogas có thể gặp phải một số vấn đề như ô nhiễm mùi hôi nếu không kín, chi phí đầu tư cao, và cần kiến thức đúng để duy trì hiệu quả sản xuất khí.
Hiện nay có các loại: hầm nắp rời, hầm nắp cố định chế tạo sẵn, hầm nắp cố định xây gạch, hầm dạng túi ủ.
Hình 1.14 Hầm nắp cố định chế tạo sẵn 1.5.4.3 Bếp hồng ngoại
KHẢO SÁT TÌNH HÌNH SỬ DỤNG BẾP ĐUN SINH KHỐI Ở THÀNH PHỐ HUẾ
Hiện nay, các hộ gia đình ở thành phố Huế chủ yếu sử dụng bếp gas và bếp hồng ngoại Những loại bếp này nổi bật với tính tiện lợi, dễ sử dụng và khả năng nấu ăn nhanh chóng Ngoài ra, chúng không cần phải mồi lửa và không gây khói bụi, mang lại không gian bếp sạch sẽ hơn.
Hình 1.16 Bếp ga sử dụng tại quán phở Sài Gòn
Trong khi đó, một số các quán ăn nhỏ như quán cơm, quán bún thì sử dụng các loại củi, bếp than, bếp trấu và mùn cưa.
Các nhà hàng lớn hoặc các bếp ăn tập thể thì sử dụng các loại bếp lò tự xây cố định có ống thoát khói.
Hình 1.17 Bếp lò tự xây tại nhà hàng.
CÁC DẠNG NHIÊN LIỆU VÀ NĂNG LƯỢNG SỬ DỤNG TRONG LÒ ĐỐT
NHIÊN LIỆU Ở THỂ RẮN
Bao gồm than đá, than bùn, than gỗ, gỗ và gỗ vụn, phụ phế phẩm như: Trấu, dăm bào, mùn cưa, vỏ đậu,lõi ngô
Hình 2.1 Củi gỗ và củi ép từ dăm bào
Hình 2.2 Than củi và than đá
Củi gỗ là nhiên liệu truyền thống phổ biến, được khai thác từ rừng hoặc từ các khu vực không có rừng như cây trồng trên đất công cộng, cây bụi, cây ven đường, đất trang trại hoặc vườn nhà Năng suất nhiệt của củi gỗ phụ thuộc vào độ ẩm của nó.
Củi ép từ dăm bào và mùn cưa được sản xuất từ các phụ phẩm gỗ, được ép thành thanh củi, sấy khô và đóng gói, mang lại sự tiện lợi trong vận chuyển và sử dụng.
Than củi, được chế biến từ củi gỗ, có trọng lượng nhẹ và năng suất nhiệt cao hơn so với củi gỗ truyền thống Sản phẩm này không chỉ tạo ra ít khói hơn mà còn đảm bảo an toàn trong quá trình nấu nướng.
Than đá, một loại nhiên liệu hóa thạch, ngày càng trở nên khan hiếm do nhu cầu sử dụng tăng cao Sử dụng than đá không chỉ gây ra tình trạng ô nhiễm không khí với lượng khói độc thải ra mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe của người nấu ăn và những người xung quanh.
Nhiên liệu ở thể lỏng chủ yếu là xăng, dầu, cồn công nghiệp.
Xăng dầu, sản phẩm được chiết xuất từ dầu mỏ, là một loại năng lượng hóa thạch chủ yếu chứa cacbonhydro Đây là nhiên liệu dễ cháy, đặc biệt khi nén ở áp suất cao, và khi cháy, nó phát sáng, tạo ra nhiệt và tăng thể tích đột ngột.
Cồn công nghiệp, được sản xuất từ Ethanol, là một chất lỏng không màu và dễ bay hơi, có mùi đặc trưng Khi cháy, nó tạo ra ngọn lửa màu xanh và sản sinh ra khí CO2 và H2O.
NHIÊN LIỆU Ở THỂ KHÍ
Khí thiên nhiên là nhiên liệu công nghiệp quan trọng, được sử dụng trong nhiều lĩnh vực như nấu nướng, sấy khô, và sản xuất vật liệu xây dựng Nó được đốt trong các bếp ga và lò ga, cũng như trong các lò gạch, gốm và lò cao để sản xuất xi măng Ngoài ra, khí thiên nhiên còn được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các tua-bin nhiệt điện, lò nấu thủy tinh, lò luyện kim loại và chế biến thực phẩm, góp phần vào sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp.
Khí thiên nhiên là nguyên liệu quan trọng trong ngành hóa dầu, được sử dụng để sản xuất các chất hóa dầu Những chất này đóng vai trò cơ bản trong việc chế biến phân đạm, bột giặt, dược phẩm, chất dẻo và nhiều sản phẩm khác.
NĂNG LƯỢNG KHÁC
Năng lượng tái tạo, hay còn gọi là năng lượng tái sinh, là nguồn năng lượng từ những nguồn liên tục và vô hạn như năng lượng mặt trời, gió, mưa, thủy triều, sóng và địa nhiệt Nguyên tắc cơ bản trong việc sử dụng năng lượng tái tạo là khai thác một phần năng lượng từ các quy trình tự nhiên diễn ra liên tục và chuyển đổi chúng thành năng lượng phục vụ cho các ứng dụng kỹ thuật Các quy trình này chủ yếu được thúc đẩy bởi Mặt Trời, và năng lượng tái tạo đang dần thay thế các nguồn nhiên liệu truyền thống.
Năng lượng tái tạo hiện diện rộng rãi trên nhiều vùng địa lý, trái ngược với các nguồn năng lượng khác chỉ có ở một số quốc gia Việc áp dụng nhanh chóng và hiệu quả năng lượng tái tạo đóng vai trò quan trọng trong an ninh năng lượng, giảm thiểu biến đổi khí hậu và mang lại lợi ích kinh tế Khảo sát ý kiến công cộng toàn cầu cho thấy sự ủng hộ mạnh mẽ đối với việc phát triển và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU TÀI LIỆU
Nghiên cứu tài liệu là bước quan trọng để thu thập thông tin liên quan đến chủ đề nghiên cứu, bao gồm cơ sở lý thuyết, thành tựu đã đạt được, kết quả nghiên cứu của đồng nghiệp đã công bố, cũng như các chủ trương, chính sách liên quan và số liệu thống kê.
Nghiên cứu tài liệu từ các nguồn đa dạng như tạp chí và báo cáo khoa học, sách giáo khoa, tác phẩm khoa học, tài liệu lưu trữ và số liệu thống kê là rất quan trọng Ngoài ra, việc khai thác thông tin từ mạng cũng góp phần nâng cao chất lượng nghiên cứu.
PHƯƠNG PHÁP PHỎNG VẤN CHUYÊN GIA
Tiến hành trao đổi với các chủ nhà hàng và bếp ăn tập thể nhằm đánh giá hiệu suất hoạt động của các bếp hiện tại Đồng thời, thảo luận về khả năng nâng cao hiệu suất và việc sử dụng đa nhiên liệu cho các bếp này.
- Thông qua các chuyên gia và giáo viên hướng dẫn để đưa ra các mẫu thiết kế phù hợp với tình hình thực tế.
PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ
- Tiến hành thiết kế mẫu bếp sử dụng đa nhiên liệu, tích hợp bộ thu nhiệt tận dụng, có hiệu suất cao, đảm bảo vệ sinh môi trường.
- Tính toán hiệu suất nhiệt của mỗi loại bếp lò, khả năng đốt cháy và tiêu tốn các loại nhiên liệu.
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
- Tiến hành chế tạo mẫu bếp.
- Thực nghiệm mẫu bếp mới chế tạo và đối chứng với các loại bếp phổ biến.
NỘI DUNG VÀ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
NHIÊN LIỆU SINH KHỐI
5.1.1 Khái niệm về sinh khối
Sinh khối là vật liệu hữu cơ tái tạo, có nguồn gốc từ sinh vật sống, không bao gồm nguyên liệu hóa thạch Trong ngành sản xuất năng lượng, sinh khối được sử dụng làm nhiên liệu và nguyên liệu cho công nghiệp Thông thường, sinh khối bao gồm phần chất của cây trưởng thành, cũng như phần chất động vật, được ứng dụng trong sản xuất sợi, hóa chất và tạo nhiệt Điều quan trọng là sinh khối không phải là sản phẩm hữu cơ hình thành qua quá trình địa chất như than đá hay dầu mỏ.
Sinh khối thường được đánh giá qua thông số cân nặng khô.
Sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng cho con người, có khả năng dự trữ từ nhiều nguồn sẵn có như thực vật Nó không chỉ giúp lưu trữ năng lượng mà còn có thể thay thế dầu, mang lại lợi ích bền vững cho môi trường.
Bảng 5.1 Phân loại và các dạng sinh khối
2 Sinh khối chưa sử dụng
5.1.2 Nguồn gốc của sinh khối
Sinh khối là vật chất hữu cơ, đặc biệt là các chất cellulose hay ligno-cellulosic.
Sinh khối là nguồn năng lượng tái tạo, bao gồm cây cối, chất xơ gỗ, chất thải từ gia súc, chất thải nông nghiệp và giấy trong chất thải rắn đô thị.
Hình 5.1 Vụn gỗ và bã vỏ mía
Hình 5.2 Gỗ rừng, gỗ lâm nghiệp
Cây lưu trữ năng lượng mặt trời trong các tế bào cellulose và lignin thông qua quá trình quang hợp Cellulose được hình thành từ chuỗi polymer của các phân tử đường, giúp tạo ra cấu trúc vững chắc cho cây.
Lignin, một hợp chất 6-carbon, đóng vai trò như chất kết dính các chuỗi cellulose Khi bị đốt, các liên kết giữa các phân tử đường sẽ bị phá vỡ, giải phóng năng lượng dưới dạng nhiệt và thải ra khí CO2 cùng hơi nước Các sản phẩm phụ từ phản ứng này có thể được thu thập để sản xuất điện năng, thường được gọi là năng lượng sinh học hoặc nhiên liệu sinh học.
Các nguồn sinh khối trong nước bao gồm các chất dư thừa và chất bã đã được xử lý, như bột giấy, chất thải nông lâm nghiệp, chất thải gỗ thành thị, chất thải rắn đô thị, khí từ các hố chôn lấp, và chất thải gia súc Ngoài ra, các giống cây trên cạn và dưới nước được trồng chủ yếu để khai thác năng lượng cũng là một phần của nguồn sinh khối, được gọi là giống cây năng lượng Khi tích tụ với số lượng lớn, chúng được xem là nguyên liệu sinh khối Việc sử dụng các chất thải này không chỉ hiệu quả mà còn giúp giảm mối nguy hại đối với môi trường Dưới đây là mô tả chi tiết về từng loại sinh khối.
5.1.2.1 Chất bã của sinh khối đã qua xử lý
Các quá trình xử lý sinh khối tạo ra các sản phẩm phụ và chất thải gọi là chất bã, có chứa một lượng thế năng nhất định Mặc dù không phải tất cả chất bã đều có thể sử dụng để sản xuất điện năng, một số cần bổ sung thêm chất dinh dưỡng hoặc nguyên tố hóa học Tuy nhiên, việc sử dụng chất bã trở nên đơn giản hơn do chúng đã được thu thập và phân loại trong quá trình xử lý.
5.1.2.2 Bột giấy và các chất bã trong quá trình sản xuất giấy
Cây cối chứa lignin, hemicellulose và cellulose, trong đó lignin dễ dàng phân hủy hơn cellulose nhờ vào các tính chất hóa học và vật lý của nó Quá trình nghiền nhão giúp tách rời các sợi lignin, từ đó tách các sợi cellulose để sản xuất giấy Trong quá trình này, bột giấy dư thừa tạo ra chất bã, là sản phẩm phụ từ việc đốn và xử lý gỗ Các quy trình này không chỉ tạo ra sản phẩm mà còn thải ra mùn cưa, vỏ cây, nhánh cây, lá cây và bột giấy, thường được các nhà máy giấy sử dụng để phát điện phục vụ cho hoạt động của nhà máy.
5.1.2.3 Bã cây rừng (Forestry residues)
Chất thải từ rừng bao gồm củi gỗ từ các quá trình làm thưa rừng, sinh khối không được thu hoạch tại các khu vực đốn gỗ, và vật liệu dư thừa trong quản lý rừng Việc tận dụng bã cây rừng mang lại lợi ích lớn, bởi phần lớn bã này được sản xuất từ các nhà máy giấy và xử lý gỗ, tạo ra nguồn nguyên liệu có sẵn Mặc dù việc tái sử dụng mùn cưa và bã gỗ để tạo năng lượng chủ yếu tập trung ở các nhà máy công nghiệp, tiềm năng nguyên liệu thực sự còn lớn hơn nhiều.
5.1.2.4 Bã nông nghiệp (Agricultural residues)
Chất thải nông nghiệp là những sản phẩm dư thừa phát sinh sau quá trình thu hoạch và chế biến nông sản Những chất thải này có thể được thu gom bằng các thiết bị thu hoạch thông thường, diễn ra đồng thời hoặc sau khi thu hoạch Các loại chất thải nông nghiệp bao gồm thân và lá bắp, rơm rạ và vỏ trấu.
Hằng năm, khoảng 80 triệu cây bắp được trồng, khiến phụ phẩm từ cây bắp trở thành nguồn sinh khối chính cho năng lượng sinh học Ở những vùng khô, cần giữ lại chất bã để bổ sung dinh dưỡng cho đất trong vụ mùa tiếp theo Tuy nhiên, đất không thể hấp thu hết chất dinh dưỡng từ cặn bã, dẫn đến việc các chất này không được tận dụng tối đa và bị mục rữa, gây thất thoát năng lượng.
Một giải pháp tiềm năng hiện nay là tận dụng bã thải từ ngành công nghiệp mía đường, chế biến gỗ và sản xuất giấy Việc này không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn tạo ra nguồn nguyên liệu tái chế có giá trị.
5.1.2.5 Chất thải từ gia súc (Livestock residues)
Chất thải gia súc như phân trâu, bò, heo và gà có thể được chuyển đổi thành khí hoặc đốt trực tiếp để cung cấp nhiệt và sản xuất năng lượng Ở các nước đang phát triển, bánh phân thường được sử dụng làm nhiên liệu cho việc nấu nướng Tuy nhiên, phân gia súc có hàm lượng methane cao, dẫn đến nguy cơ phát sinh các chất độc hại khi đốt, ảnh hưởng đến sức khỏe người tiêu dùng và môi trường Do đó, các trang trại cần áp dụng các phương pháp thích hợp để sản xuất năng lượng từ phân, nhằm giảm thiểu mối nguy hại này Ngoài ra, chất thải gia súc còn có thể được sử dụng để sản xuất nhiều loại sản phẩm và tạo ra điện năng thông qua các phương pháp tách methane và phân hủy yếm khí.
Ngoài ra, việc sử dụng phân súc vật để tại năng lượng ở qui mô lớn vẫn còn là một câu hỏi lớn vì những yếu tố sau:
Phân không chỉ có giá trị trong việc cải thiện đất mà còn mang lại lợi ích lớn hơn cho nông dân khi được sử dụng để bón cây Việc sử dụng phân đúng cách sẽ giúp tăng năng suất cây trồng, từ đó tạo ra lợi ích kinh tế cao hơn cho người nông dân.
- Phân là nhiên liệu có hiệu suất thấp, do đó người ta có khuynh hướng chuyển qua các dạng năng lượng sinh học khác có hiệu suất cao hơn
- Các tác động về môi trường và sức khỏe từ việc khai thác phân thải có phần tiêu cực hơn các dạng nhiên liệu sinh học khác.
5.1.2.6 Các loại bã thải khác
- Chất thải củi gỗ đô thị
Chất thải củi gỗ là loại chất thải phổ biến nhất tại các công trường, bao gồm thân cây và phần thừa sau khi cắt tỉa Những vật liệu này dễ dàng thu gom sau các dự án và có thể được chuyển đổi thành phân trộn hoặc sử dụng làm nhiên liệu cho các nhà máy năng lượng sinh học.
- Chất thải rắn đô thị coa nguồn gốc hữu cơ
TÍNH TOÁN SỰ ĐỐT CHÁY CỦA NHIÊN LIỆU SINH KHỐI
5.2.1 Các nguyên lý của quá trình cháy
Quá trình cháy là sự oxy hóa nhanh chóng nhiên liệu, dẫn đến việc sản sinh ra nhiệt, hoặc cả nhiệt và ánh sáng Để quá trình đốt cháy diễn ra hoàn toàn, cần phải cung cấp một lượng oxy thích hợp.
Oxy (O₂) là một trong những nguyên tố phổ biến nhất trên trái đất, chiếm 20.9% không khí Quá trình oxy hóa nhiên liệu nhanh chóng sản sinh ra lượng nhiệt lớn Để nhiên liệu rắn hoặc lỏng có thể cháy, chúng cần được chuyển hóa thành dạng khí, thường thông qua việc sử dụng nhiệt Khi đã ở dạng khí, nhiên liệu sẽ cháy bình thường nếu có đủ oxy trong không khí.
Trong không khí, 79% là nitơ, cùng với một lượng nhỏ các thành phần khác Nitơ đóng vai trò là yếu tố pha loãng, giúp giảm nhiệt độ cần thiết để đạt được lượng oxy cần thiết cho quá trình cháy.
Nitơ làm giảm hiệu suất cháy bằng cách hấp thụ nhiệt từ nhiên liệu và pha loãng khí trong lò, dẫn đến giảm nhiệt độ truyền qua bề mặt trao đổi nhiệt Ngoài ra, nitơ còn làm tăng khối lượng sản phẩm phụ của quá trình cháy, giúp chúng thoát ra ngoài ống khói nhanh hơn, tạo điều kiện cho hỗn hợp nhiên liệu-không khí mới được bổ sung.
Nitơ có khả năng kết hợp với oxy (đặc biệt ở nhiệt độ cao) để tạo ra NOx, một chất ô nhiễm độc hại Cacbon, hydro và lưu huỳnh trong nhiên liệu phản ứng với oxy trong không khí, tạo ra CO2, hơi nước và SO2, đồng thời giải phóng nhiệt lượng lớn: 8.084 kcal, 28.922 kcal và 2.224 kcal Trong những điều kiện đặc biệt, cacbon cũng có thể kết hợp với oxy để tạo ra CO, tuy nhiên chỉ giải phóng một lượng nhiệt nhỏ (2.430 kcal/kg cacbon).
CO2 sẽ sinh ra một lượng nhiệt trên mỗi đơn vị nhiên liệu nhiều hơn khi CO hoặc khói tạo ra.
Bảng 5.3 Các phản ứng cháy
Mỗi kg CO được tạo thành đồng nghĩa với việc tổn thất 5654 kCal nhiệt
5.2.1.2 Ba chữ T của quá trình cháy
Mục tiêu của quá trình đốt cháy hiệu quả là tối đa hóa việc giải phóng nhiệt từ nhiên liệu Điều này có thể đạt được bằng cách kiểm soát ba yếu tố quan trọng: (1) Nhiệt độ phải đủ cao để khởi phát và duy trì sự cháy, (2) Khuấy trộn hợp lý giữa nhiên liệu và oxy, và (3) Thời gian cần thiết để hoàn tất quá trình đốt cháy.
Nhiên liệu phổ biến như khí tự nhiên và prôban chứa cacbon và hydro, trong đó hơi nước là sản phẩm phụ của quá trình đốt cháy hydro Hơi nước này làm mất nhiệt trong khí lò, dẫn đến việc giảm hiệu quả trao đổi nhiệt.
Khí tự nhiên chứa nhiều hydro và ít carbon hơn so với dầu nhiên liệu, dẫn đến việc nó tạo ra nhiều hơi nước hơn khi đốt cháy Điều này gây ra sự mất mát nhiệt lớn hơn trong quá trình đốt khí tự nhiên.
Sự cân bằng giữa nhiên liệu và không khí là rất quan trọng để đảm bảo quá trình cháy hoàn hảo; nếu nhiên liệu quá nhiều hoặc quá ít so với lượng không khí có sẵn, có thể dẫn đến hiện tượng cháy không hoàn toàn hoặc sản sinh khí CO độc hại Để tối ưu hóa quá trình đốt, cần bổ sung một lượng O2 nhất định cùng với một lượng khí dư, tuy nhiên, nếu khí dư quá nhiều sẽ gây lãng phí nhiệt và giảm hiệu suất.
Không phải tất cả nhiên liệu đều chuyển hóa thành nhiệt mà thiết bị tạo hơi có thể hấp thụ Thông thường, toàn bộ hydro trong nhiên liệu được đốt cháy, và hầu hết nhiên liệu của lò hơi đạt tiêu chuẩn ô nhiễm khí cho phép với hàm lượng lưu huỳnh thấp hoặc không có Thách thức lớn nhất đối với hiệu suất cháy là lượng carbon không cháy hết, dẫn đến sự hình thành CO thay vì CO2.
5.2.2 Tính lượng không khí cho quá trình đốt cháy.
Thông thường các chất đốt ở thể lỏng và rắn phân tích gồm có các thành phần nguyên tố như C (carbon), H (hydrogen), S (lưu huỳnh), O (oxygen), N (nitrogen),
H 2 O (hơi nước) và Chất bẩn (không đốt cháy được như cát, sỏi đá, v.v.)
Trong 1 kg chất đốt chứa trọng lượng các nguyên tố như sau: c kg carbon (C) h kg hydrogen (H 2 ) o kg oxygen (O 2 ) n kg nitrogen (N 2 ) a kg tập chất s kg lưu huỳnh (S) w kg hơi nước (H 2 O)
Như vậy 1 kg chất đốt thì tổng số lượng của tất cả các nguyên tố sẽ bằng 1, có nghĩa là:
Nếu loại tạp chất và hơi nước (người ta thường dùng cách phân tích này cho than đá), phương trình trên sẽ trở thành.
Bảng 5.4 Thí dụ thành phần hoá học và tỉ lệ của một số chất đốt
5.2.2.1 Tính lượng không khí cần thiết cho sự đốt cháy 1 kg chất đốt
- Giả sử phản ứng xảy ra hoàn toàn, có nghĩa là C sẽ cháy hết và cho ra CO 2 và
H sẽ cháy cho ra H 2 O và S sẽ cho SO 2
1 kg H 2 h kg H 2 h kg H 2 h kg H 2 h kg H 2
1 kg S s kg S s kg S s kg S s kg S Giả sử N (nitrogen) không tham gia phản ứng cháy.
Như vậy oxygen tối thiểu để đốt cháy hoàn toàn 1 kg chất đốt như sau:
(5.2-7) và trọng lượng KK tối thiểu là
(5.2-8) trong KK có 23,20% là O 2 và 76,8% là N 2
Và thể tích KK tối thiểu là
(5.2-10) trong KK có 21% thể tích O 2 và 79% thể tích N 2
5.2.2.2 Tính lượng chất thải từ sự đốt cháy của chất lỏng và rắn
Trong khói sẽ gồm có:
- (44/12) c kg CO 2 do phản ứng C + O 2 = CO 2
- (9 h + w) kg H 2 O do phản ứng 2H 2 + O 2 = 2H 2 O và do từ chất đốt (w kg)
- 2 s kg SO2 do ph ản ứng S + O 2 = SO 2
- (n + 0,768×KK tl ) kg nitrogen (n kg từ chất đốt và 0,768×KK tl từ KK)
- a kg tạp chất, không cháy được.
Trong thực tế, cháy hoàn toàn rất khó xảy ra, vì phản ứng cháy thường không hoàn toàn như đã trình bày Thông thường, người ta sử dụng lượng không khí nhiều hơn khoảng 10% so với lượng không khí tối thiểu cần thiết để đạt được quá trình cháy hoàn toàn.
- Các phản ứng không xảy ra cùng một lúc.
Phản ứng hóa học chịu ảnh hưởng lớn từ nhiệt độ và nồng độ của các chất tham gia Để tăng cường sự hòa trộn giữa chất đốt và không khí, người ta thường sử dụng hiện tượng rối loạn (turbulence).
Khi xảy ra rối loạn, nhiệt độ sẽ biến đổi không chỉ theo không gian mà còn theo thời gian, dẫn đến những phản ứng trở nên phức tạp hơn.
- N sẽ kết hợp với O 2 cho ra NO và NO 2 gọi chung là NO x , chất này là mầm móng gây bệnh ung thư.
- S (lưu huỳnh) trong chất đốt cũng sẽ kết hợp với O 2 cho ra SOx, tạo acid sẽ làm ô nhiễm môi trường.
TRUYỀN NHIỆT TRONG NẤU ĂN
Nhiệt là nguồn năng lượng thiết yếu giúp biến đổi thức ăn, và trong bếp lò, nhiệt được truyền qua ba phương pháp chính: dẫn nhiệt, đối lưu và bức xạ.
Dẫn nhiệt là sự truyền nhiệt năng từ vật này sang vật khác, từ phần này sang phần khác của vật.
Khi nghiên cứu quá trình dẫn nhiệt trong vật thể, Fourrier đã phát hiện rằng lượng nhiệt dQ truyền qua bề mặt dF trong thời gian dτ tỷ lệ thuận với gradient nhiệt độ, thời gian và diện tích bề mặt.
Khi nấu ăn, nhiệt từ bếp lửa truyền qua đáy nồi, chảo hoặc ấm nước, làm nóng thực phẩm và nước tiếp xúc với đáy Nhiệt độ sau đó lan tỏa ra các phần tử xung quanh, giúp thực phẩm chín hoặc nước sôi Độ dẫn nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố như hệ số dẫn nhiệt, nhiệt độ, cấu trúc vật liệu và áp suất Hệ số dẫn nhiệt là yếu tố quan trọng, vì vậy khi chọn vật liệu làm bếp và nồi, cần căn cứ vào hệ số dẫn nhiệt của chúng.
Hệ số dẫn nhiệt của các chất thường phụ thuộc vào nhiệt độ, với xu hướng tăng khi nhiệt độ tăng Đối với vật thể rắn đồng chất, mối quan hệ giữa hệ số dẫn nhiệt λ và nhiệt độ có thể được mô tả gần như theo đường thẳng Trong đó, λ là hệ số dẫn nhiệt tại 0 o C, λo là hệ số dẫn nhiệt tại nhiệt độ t o C, b là hệ số nhiệt độ được xác định qua thực nghiệm và phụ thuộc vào tính chất của vật liệu, trong khi t là nhiệt độ làm việc (o C).
Bảng 5.5 Hệ số dẫn nhiệt một số vật liệu
9 Nước ở điều kiện bình thường
5.3.2 Đối lưu Đối lưu nhiệt: là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra khi có sự dịch chuyển của khối chất lỏng hoặc chất khí trong không gian từ vùng có nhiệt độ này đến vùng có nhiệt độ khác.
Hiện tượng đối lưu xảy ra khi các phần tử khí hoặc lỏng có nhiệt độ khác nhau, dẫn đến khối lượng riêng khác nhau Các phần tử có nhiệt độ cao hơn, với khối lượng riêng nhỏ hơn, sẽ nổi lên, trong khi các phần tử có nhiệt độ thấp hơn, với khối lượng riêng lớn hơn, sẽ chìm xuống Đối lưu chỉ diễn ra trong môi trường chất lỏng hoặc khí, vì quá trình truyền nhiệt luôn liên quan đến chuyển động của các phần tử trong môi trường đó.
Quá trình trao đổi nhiệt giữa bề mặt rắn và môi trường chất lỏng hoặc khí diễn ra đồng thời thông qua hai cơ chế chính là dẫn nhiệt và đối lưu.
Quá trình đối lưu có thể diễn ra theo 2 cách:
- Đối lưu nhiệt tự nhiên xảy ra khi giữa các phần tử có nhiệt độ khác nhau và có khối lượng riêng khác nhau.
Đối lưu nhiệt cưỡng bức là quá trình tạo ra dòng chảy nhiệt bằng cách sử dụng các thiết bị bên ngoài như bơm, quạt hoặc khuấy trộn So với đối lưu tự nhiên, vận tốc trong đối lưu cưỡng bức cao hơn rất nhiều, giúp tăng cường hiệu quả truyền nhiệt trong các ứng dụng công nghiệp và kỹ thuật.
Khi nấu ăn, nhiệt được truyền từ đáy nồi lên trên thông qua sự đối lưu của các dòng nước và khí, di chuyển từ dưới đáy nồi lên miệng nồi.
Bức xạ nhiệt: là kiểu truyền nhiệt đặc biệt bằng tia, tia đó mang năng lượng và vật hấp thu tia đó chuyển năng lượng thành dạng nhiệt.
Một vật có nhiệt độ thì chắc chắc sẽ phát ra tia bức xạ Vật có nhiệt độ càng cao thì lượng bức xạ phát ra càng lớn.
Khi một vật có nhiệt độ thấp được đặt gần một vật có nhiệt độ cao, nếu vật lạnh phát ra tia bức xạ, thì vật nóng vẫn sẽ hấp thụ tia bức xạ này, điều này khác biệt so với quá trình dẫn nhiệt.
Vật thể có màu đen hấp thụ nhiều tia bức xạ, trong khi vật thể màu trắng phản xạ nhiều tia bức xạ Một vật được gọi là trắng tuyệt đối khi nó phản xạ toàn bộ tia bức xạ.
Khi đốt nhiên liệu hoặc nung nóng vật liệu, chúng phát ra tia năng lượng được truyền đến đáy nồi Đáy nồi hấp thụ năng lượng này và chuyển hóa thành nhiệt năng.
Hình 5.4 Quá trình bức xạ nhiệt
Các thành phần của năng lượng bức xạ
Q o : dòng chiếu đến; Q A : hấp thu ; Q R : phản xạ; Q D : xuyên qua
= A+R+D =1Với A là hệ số hấp thu, R là hệ số phản xạ, D là hệ số xuyên qua
THIẾT KẾ MỘT SỐ MẪU BẾP LÒ SỬ DỤNG ĐA NHIÊN LIỆU
5.4.1 Thiết kế mẫu bếp lò sử dụng cho hộ gia đình
Bếp cần đáp ứng yêu cầu kỹ thuật với công suất đun nấu phù hợp cho 4-10 người ăn hàng ngày, bao gồm khả năng đun nước và thức ăn với 1-2 bếp con và 1-2 nồi có thể tích từ 3-8 lít Về kết cấu, bếp cần được thiết kế chắc chắn và hiệu quả để đảm bảo an toàn và tiện lợi trong quá trình sử dụng.
- Bếp có kết cấu phù hợp từ 2-3 nồi đun đồng thời, với dãy kích thước từ 18 đến 24 cm.
- Kích thước nhỏ gọn, dễ di chuyển.
- Bền vững về chịu lực và nhiệt độ.
- Tập trung nhiệt vùng các đáy nồi,
- Sử dụng được nhiều loại nhiên liệu, (có thể thay đổi cửa nạp và xả tro phù hợp)
- Nhiên liệu cháy có hiệu suất tỏa nhiệt cao, tổn thất nhỏ.
- Thu gom được khói lò, khói bếp không đi qua đáy nồi, đảm bảo sức khỏe cho người nấu.
Để giảm tối thiểu tổn thất nhiệt qua thành lò, đáy lò và khói thải, việc chọn vật liệu làm bếp cần đảm bảo chịu nhiệt, cách nhiệt tốt và dễ chế tạo, xây dựng, đồng thời phải tuân thủ vệ sinh an toàn thực phẩm Bếp có thể sử dụng đa dạng nhiên liệu như củi, than tổ ong, khí ga và các phế phẩm nông nghiệp như trấu, mạt cưa, rơm rạ, bả mía, thân ngô, và cành lá nhỏ, chỉ cần điều chỉnh nhẹ cấu trúc cửa nạp liệu và cấp khí Ngoài ra, bếp cũng phải dễ sử dụng, bảo trì và an toàn trong quá trình nấu nướng.
Hình 5.5 Kết cấu mẫu bếp sử dụng cho hộ gia đình
1- Giá đỡ; 2-thân bếp; 3-thiết bị thu nhiệt tận dụng; 4-nồi; 5- ống khói; 6- buồng đốt chính; 7- buồng đốt phụ.
5.4.1.2 Các bộ phận chính của bếp
Giá đỡ bếp được chế tạo từ khung thép V40x40x4, hàn chắc chắn xung quanh bếp và có tấm đan bê tông cốt thép dày 40mm ở phía trên Phía dưới được trang bị 3 bánh xe có đường kính 150mm, giúp dễ dàng di chuyển và hỗ trợ bếp một cách an toàn.
Thân bếp được xây dựng từ các vật liệu như gạch, xi măng, cát và đất sét, với cấu trúc bên ngoài được ốp gạch men và bên trong sử dụng gạch vỡ cùng đất sét Thiết kế của thân bếp bao gồm một buồng đốt chính, một buồng đốt phụ, một cửa cấp nhiên liệu và một lỗ thông ống khói.
- Bộ thu nhiệt tận dụng: Được chế tạo bằng ống kẽm có đường kính 15/21mm.
Bộ thu nhiệt được uốn cong xung quanh lò chính và lò phụ, với một đầu nối vào nguồn nước và đầu còn lại kết nối với hệ thống sấy hơi để cung cấp nước nóng sạch đảm bảo vệ sinh Để đảm bảo an toàn và thuận tiện trong quá trình sử dụng, bộ phận đầu ra của nước nóng được trang bị van an toàn, đồng hồ đo nhiệt độ và đồng hồ đo áp suất nước nóng.
Bộ trao đổi nhiệt nước nóng được chế tạo từ thép không gỉ với đường kính 16/21mm, giúp tận dụng nhiệt nước nóng hiệu quả Sản phẩm này phục vụ đa dạng nhu cầu của người sử dụng như sấy khô chén đũa, đun sôi nước và sát trùng các dụng cụ khác.
Hình 5.9 Bộ trao đổi nhiệt
Ống khói được chế tạo từ ống thép mạ kẽm, có chức năng hút khói từ bếp lò và thải ra ngoài Điều này giúp tạo ra hiện tượng đối lưu, cho phép không khí từ bên ngoài lưu thông vào buồng đốt chính.
- Giá đỡ than tổ ong: được chế tạo bằng vỏ tôn, bên trong là đất sét Giá đỡ dùng cho một viên than tổ ong để nấu.
Hình 5.10 Giá đỡ than tổ ong
5.4.2 Thiết kế mẫu bếp dùng cho nhà hàng, quán ăn tập thể
Yêu cầu kỹ thuật của bếp cần đảm bảo công suất đun nấu phù hợp cho quy mô phục vụ từ 50 đến 100 người mỗi ngày, với khả năng đun nước và thức ăn bằng 1-2 bếp và 1-3 nồi có đường kính 50cm Về kết cấu, bếp cần được thiết kế chắc chắn và hiệu quả để đáp ứng nhu cầu nấu nướng hàng ngày.
- Bếp có kết cấu phù hợp từ 2-3 nồi đun đồng thời, với dãy kích thước từ 50 đến 55 cm.
- Kích thước nhỏ gọn, dễ di chuyển.
- Bền vững về chịu lực và nhiệt độ.
- Tập trung nhiệt vùng các đáy nồi,
- Sử dụng được nhiều loại nhiên liệu, (có thể thay đổi cửa nạp và xả tro phù hợp)
- Nhiên liệu cháy có hiệu suất tỏa nhiệt cao, tổn thất nhỏ.
- Thu gom được khói lò, khói bếp không đi qua đáy nồi, đảm bảo sức khỏe cho người nấu.
Để tối ưu hóa hiệu suất bếp, cần giảm thiểu tổn thất nhiệt qua các thành phần như thành lò, đáy lò và hệ thống khói Vật liệu làm bếp nên được chọn lựa kỹ lưỡng, đảm bảo chịu nhiệt, cách nhiệt tốt, dễ chế tạo và an toàn cho thực phẩm Bếp cần có khả năng sử dụng đa dạng nhiên liệu như củi, than tổ ong, khí ga hoặc các phế phẩm nông nghiệp như trấu và mạt cưa, chỉ cần điều chỉnh một chút ở cấu trúc cửa nạp liệu và cấp khí Cuối cùng, bếp phải dễ sử dụng, bảo trì và đảm bảo an toàn trong quá trình nấu nướng.
Hình 5.11 Kết cấu mẫu bếp dùng cho nhà hàng
1- Giá đỡ; 2- thân bếp; 3- thiết bị thu nhiệt tận dụng; 4- nồi; 5- ống khói.
5.4.2.2 Các bộ phận chính của bếp
Giá đỡ bếp được chế tạo từ khung thép V50x50x4, được hàn chắc chắn xung quanh bếp Phần trên của giá đỡ được đổ bằng tấm đan bê tông cốt thép dày 40mm, đảm bảo độ bền vững Dưới đáy, giá đỡ được trang bị 3 bánh xe có đường kính lớn, thuận tiện cho việc di chuyển.
150mm Giá đỡ bếp dung để đỡ và di chuyển bếp.
Thân bếp được xây dựng từ các vật liệu như gạch, xi măng, cát và đất sét, với phần xung quanh được làm bằng gạch chỉ Bên trong, bếp sử dụng gạch vỡ và đất sét, trong khi bên ngoài được ốp gạch men để tăng tính thẩm mỹ Thiết kế của thân bếp bao gồm hai buồng đốt chính, hai cửa cấp nhiên liệu và hai lỗ thông ống khói, tạo điều kiện thuận lợi cho việc nấu nướng.
- Bộ thu nhiệt tận dụng: Được chế tạo bằng ống kẽm có đường kính 22/27mm.
Bộ thu nhiệt được thiết kế uốn cong xung quanh lò chính và lò phụ, với một đầu nối vào nguồn nước và đầu còn lại kết nối với hệ thống sấy hơi, cung cấp nước nóng sạch và đảm bảo vệ sinh Để đảm bảo an toàn khi sử dụng, đầu ra nước nóng được trang bị van an toàn, đồng hồ đo nhiệt độ và đồng hồ đo áp suất nước nóng.
Bộ trao đổi nhiệt nước nóng được chế tạo từ thép kẽm với đường kính 15/21mm, chuyên dụng cho việc trao đổi nhiệt nước nóng Sản phẩm này phục vụ nhu cầu của người sử dụng, bao gồm việc sấy khô chén đũa và các dụng cụ khác.
Ống khói, được chế tạo từ ống sứ hoặc ống thép, có chức năng hút khói từ bếp lò và thải ra bên ngoài Điều này tạo ra hiện tượng đối lưu, giúp không khí từ bên ngoài lưu thông vào buồng đốt chính.
Giá đỡ than tổ ong và đầu bếp gas được sản xuất từ vỏ tôn bền bỉ, bên trong chứa đất sét để tăng cường khả năng chịu nhiệt Thiết kế của giá đỡ cho phép sử dụng 3 viên than tổ ong, mang lại hiệu quả tối ưu cho việc nấu nướng.
Hình 5.14 Giá đỡ than tổ ong
5.4.3 Kích thước tiêu chuẩn của các loại xoong nồi, than tổ ong
5.4.3.1 Kích thước tiêu chuẩn của các loại xoong nồi
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐỐI CHỨNG
Tương tự như bếp sử dụng cho hộ gia đình, lượng nhiệt của nước nóng trong ống collector thu nhiệt (Q nn2) khi được lấy ra sẽ bị mất một phần nhiệt năng là Q th2.
Q cl2 = Q nn2 + Q th2 Phương trình cân bằng nhiệt sẽ là:
Hiệu suất của bếp sẽ là: