Nghiên cứu, đề xuất mô hình sấy lạnh kết hợp hai chế độ nhiệt độ cao và thấp để sấy thảo dược

Bài viết Nghiên cứu, đề xuất mô hình sấy lạnh kết hợp hai chế độ nhiệt độ cao và thấp để sấy thảo dược trình bày kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình thiết bị sấy thực tế sử dụng bơm nhiệt. Bài viết phân tích ưu, nhược điểm đặc điểm của quá trình sấy, của phương pháp sấy nóng, phương pháp sấy lạnh.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 NGHIÊN CỨU, ĐỀ XUẤT MƠ HÌNH SẤY LẠNH KẾT HỢP HAI CHẾ ĐỘ NHIỆT ĐỘ CAO VÀ THẤP ĐỂ SẤY THẢO DƯỢC STUDYING AND PROPOSING THE FREEZE DRYING MODEL IN COMBINATION OF HIGH AND LOW TEMPERATURES TO DRY MEDICINAL HERBS Hoàng Ngọc Đồng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Email: hndong@dut.udn.vn Hà Văn Tuấn Trường Cao đẳng Cơng nghiệp Huế TĨM TẮT Bài báo trình bày kết nghiên cứu lý thuyết thực nghiệm mơ hình thiết bị sấy thực tế sử dụng bơm nhiệt Trong báo này, chúng tơi phân tích ưu, nhược điểm đặc điểm q trình sấy, phương pháp sấy nóng, phương pháp sấy lạnh Bài báo cũng đã nghiên cứu xây dựng mơ hình sấy lạnh kết hợp chế độ nhiệt độ cao nhiệt độ thấp để sấy thảo dược nhằm hạn chế nhược điểm phương pháp sấy riêng biệt lạnh phương pháp sấy nóng Bài báo cũng trình bày quy trình vận hành, phân tích đánh giá ưu, nhược điểm mơ hình sấy kết hợp chế độ nóng, lạnh Kết nghiên cứu nhằm phục vụ nhu cầu học tập nghiên cứu sinh viên, kỹ sư chuyên ngành công nghệ Nhiệt – Lạnh Đồng thời cũng sở để doanh nghiệp chế biến bảo quản thảo dược để nâng cao chất lượng giảm chi phí Từ khóa: máy lạnh; máy sấy lạnh; sấy thảo dược; thảo dược; vận hành ABSTRACT The article represents a theoretical and experimental study on the model of drying equipment with heat pump In this paper, we have analyzed weaknesses and advantages of drying process: hot-drying and freeze-drying methods The paper has also studied and established the freeze drying model that combines high and low temperatures to dry medicinal herbs in order to restrict its weaknesses It has also presented the process of operation, analyzed weaknesses and advantages of the drying model of combining heat and freeze regimes The research findings will be used for students and engineers majoring in the study and research on heat-refrigeration technology This is also a foundation for medicinal herbs processing and preserving enterprises to enhance quality and reduce expenditure Key words: air conditioner; freeze-dried machine; medicinal herb drying; medicinal herbs; operate Đặt vấn đề Dược liệu sản phẩm đặc biệt, liên quan đến vấn đề sức khỏe người Quá trình chế biến, bảo quản địi hỏi quy trình cơng nghệ nghiêm ngặt để đảm bảo chất lượng Nếu khơng khơng làm giảm chất lượng sản phẩm mà cịn có tác dụng khơng tốt sức khỏe người chí gây độc Hiện nay, dược liệu chủ yếu sấy nhiệt độ cao (sấy nóng), phương pháp sấy có nhiều hạn chế làm biến tính giảm chất lượng sản phẩm, cơng nhân vận hành vất vả với mơi trường nóng Dó làm giảm tính chữa bệnh dược liệu chí gây tác dụng xấu đến sức khỏe người Trong phương pháp sấy lạnh, đảm bảo chất lượng, giữ nguyên thành phần vi lượng, loại vitamin, vơ hiệu hóa hoạt động enzyme tiêu diệt phần lớn vi sinh vật, tăng thời gian bảo quản giữ nguyên thành phần dinh dưỡng, mùi vị màu sắc đặc trưng Công nghệ sấy ứng dụng chế biến dược liệu khô tiến hành chủ yếu nhiệt độ cao bộc lộ nhiều hạn chế công nghệ chưa khắc phục chất lượng đầu sản phẩm, chưa đáp ứng yêu cầu đặc tính hóa lý, vi lượng, vitamin, mùi, màu, thành phần dinh dưỡng nên khó đáp ứng cho nhu cầu chữa bệnh Việc đầu tư nghiên cứu quy trình cơng nghệ giải vấn đề thực cần thiết Ưu điểm công nghệ sấy lạnh sản 15 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 phẩm sấy giữ nguyên màu sắc, mùi vị, hạn chế tối đa thất thoát dinh dưỡng (khoảng 5%)[2], hạn chế công nghệ thiết bị phức tạp, thời gian sấy dài, giá thành cao Việc áp dụng công nghệ sấy lạnh để sấy dược liệu ít, chủ yếu loại dược liệu đặc biệt q Để có quy trình cơng nghệ hồn chỉnh, tối ưu với thông số phù hợp đòi hỏi phải tiến hành nghiên cứu sâu rộng Đặc biệt việc sấy lạnh kết hợp chế độ nhiệt độ cao nhiệt độ thấp để khắc phục mặc hạn chế phương pháp chưa có cơng trình nghiên cứu, báo, tài liệu sấy nóng-lạnh cơng bố Kết nghiên cứu khảo sát: 2.1 Cơ sở lý thuyết trình sấy: 2.1.1 Phương pháp sấy nóng a) Ưu điểm - Có thể điều chỉnh nhiệt độ sấy khoảng rộng Có thể sấy nhiệt độ cao 900 -10000C, nhiệt độ thấp 70 - 900C 40 - 500C - Cấu trúc hệ thống đơn giãn, dễ chế tạo lắp đặt - Vật nhanh khô, thời gian sấy ngắn, giá thành sấy thấp, dễ vận hành - Đầu tư vốn - Giảm tiêu hao điện - Nâng cao hiệu sử dụng nhiệt hệ thống thiết bị b) Nhược điểm - Gây bụi bẩn cho sản phẩm thiết bị - Làm biến chất sản phẩm chí cháy sản phẩm - Có thể gây hỏa hoạn xảy phản ứng hóa học khơng cần thiết ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm - Khi sử dụng phương pháp nóng phải ý khắc phục nhược điểm để đạt yêu cầu sấy loại sản phẩm khác Phương pháp sấy nóng thường dùng để sấy gỗ, sản phẩm gỗ bút chì que diêm, võ bao diêm, vật liệu xây dựng, đồ gốm sứ số hạt nông lâm sản 16 c) Đặc điểm q trình sấy * Giai đoạn làm nóng vật Giai đoạn vật đưa vào buồng sấy tiếp xúc với khơng khí nóng nhiệt độ vật đạt đến nhiệt độ nhiệt kế ướt (tư ) Trong q trình tồn vật sấy gia nhiệt Ẩm lỏng vật gia nhiệt đạt nhiệt độ sôi ứng với phân áp suất nước mơi trường khơng khí buồng sấy (tư) Do làm nóng nên độ ẩm vật có giảm chút bay ẩm nhiệt độ vật tăng dần từ nhiệt độ ban đầu nhiệt độ nhiệt kế ướt Tuy tăng nhiệt độ q trình xảy khơng đồng phần phần vật Vùng vật đạt tới tư chậm Đối với vật dễ sấy giai đoạn làm nóng vật xảy nhanh * Giai đoạn tốc độ sấy không đổi Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật nhiệt độ nhiệt kế ướt Tiếp tục cung cấp nhiệt, ẩm vật hóa cịn nhiệt độ vật giữ không đổi nên nhiệt lượng cung cấp để làm hóa nước Ẩm hóa lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng bên vật truyền bề mặt vật để hóa Do nhiệt độ khơng khí nóng khơng đổi, nhiệt độ vật không đổi nên chênh lệch nhiệt độ vật môi trường không đổi Do tốc độ bay ẩm vật không đổi Điều làm cho tốc độ giảm độ chứa ẩm vật theo thời gian không đổi, có nghĩa tốc độ sấy khơng đổi: u  const  Trong giai đoạn sấy tốc độ không đổi, biến thiên độ chứa ẩm theo thời gian tuyến tính Ẩm thóat giai đoạn tự Khi độ ẩm vật đạt đến giới hạn uk = ucbmax giai đoạn sấy tốc độ không đổi chấm dứt Đồng thời chấm dứt giai đoạn thoát ẩm tự chuyển sang giai đoạn sấy tốc độ giảm * Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi ẩm tự bay hết, lại vật ẩm liên kết Năng lượng để bay ẩm liên kết lớn TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 so với ẩm tự tăng lên độ ẩm vật nhỏ (ẩm liên kết chặt) Do tốc độ bay ẩm giai đoạn nhỏ giai đoạn sấy tốc độ khơng đổi có nghĩa tốc độ sấy giai đoạn nhỏ giảm theo thời gian sấy Quá trình sấy tiếp diễn, độ ẩm vật giảm, tốc độ sấy giảm 2.1.2 Phương pháp sấy lạnh a) Ưu điểm - Không làm biến chất sản phẩm, giữ nguyên màu sắc tự nhiên thành phần vi lượng sản phẩm - Đảm bảo yêu cầu chất lượng khắt khe hình dáng, kích thước thể tích sản phẩm, màu sắc sản phẩm, nồng độ vị, chất thơm, men, vitamin, protêin, thấm nước thấm khí trở lại sản phẩm sấy, độ ẩm cuối đạt tùy theo nhu cầu sử dụng bảo quản sản phẩm b) Nhược điểm - Thời gian sấy dài - Vốn đầu tư lớn, giá thành sản phẩm cao, vận hành khó khăn, phức tạp - Giá thành cao, vận hành khó khăn, phức tạp, hệ thống sấy chân khơng việc trì độ chân khơng khó - Áp dụng với quy mơ nhỏ, dùng sấy loại vật liệu q hiếm, khơ chậm, khó sấy có yêu cầu cao chất lượng c) Đặc điểm trình sấy Khác với phương pháp sấy nóng, phương pháp sấy lạnh, người ta tạo độ chênh phân áp suất nước vật liệu sấy tác nhân sấy cách giảm phân áp suất tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt vật nhỏ nhiệt độ bên vật, đồng thời tiếp xúc với khơng khí có độ ẩm phân áp suất nước nhỏ nên bề mặt có phân áp suất nước nhỏ phía bên vật Nói khác đi, gradient nhiệt độ gradient áp suất có dấu nên gradient nhiệt độ khơng kìm hãm q trình dịch chuyển ẩm sấy nóng mà ngược lại, có tác dụng tăng cường q trình dịch chuyển ẩm lịng vật ngồi để bay làm khơ vật Khi ẩm vật liệu dịch chuyển bề mặt từ bề mặt vào mơi trường lớn nhỏ nhiệt độ môi trường nhỏ 0oC Trong kỹ thuật sấy lạnh, sấy khơng khí tăng nhờ q trình tách ẩm dàn bay trình gia nhiệt dàn ngưng tụ máy lạnh Yếu tố có tính định q trình làm lạnh khơng khí dàn lạnh, từ nhận khơng khí có nhiệt độ độ chứa (d) nhỏ đảm bảo cho trình truyền nhiệt, truyền chất vật sấy tác nhân sấy buồng sấy xẩy điều kiện gradient nhiệt độ gradient áp suất chiều, khơng có giai đoạn xẩy hiệu ứng Luikov A.V cản trở trình sấy phương pháp sấy nóng Vì vậy, ngồi việc tính tốn, thiết kế hệ thống nói chung điều tối cần thiết chế độ làm việc dàn lạnh hay nói cách khác khả tối ưu dàn lạnh có tầm quan trọng đặc biệt Trong kỹ thuật sấy lạnh, để tăng cường tách ẩm cho hệ thống, khơng khí sấy trải qua giai đoạn tách ẩm dàn lạnh, ẩm khơng khí tồn ba dạng hơi, lỏng rắn, với dung ẩm dạng dh, dạng lỏng dl dạng rắn dr, entanpi I khơng khí ẩm: I = tb + (2500+1,93tb)dh + 4,18d1tb + (35 + 2,1tb)dr, kJ/kgkkk [2] 2.2 Đề xuất mô hình sấy kết hợp chế độ nóng, lạnh 2.2.1 Đề xuất mơ hình Từ phân tích ta thấy xây dựng hình sấy kết hợp chế độ nóng lạnh nhằm phát huy đặc tính ưu việt cơng nghệ sấy lạnh, cơng nghệ sấy nóng để ứng dụng sấy thảo dược nhằm nâng cao chất lượng hiệu kinh tế sản phẩm thảo dược có giá trị chữa bệnh cao Từ u cầu thực tế đó, chúng tơi đề xuất mơ hình sấy chế độ nóng lạnh 17 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 13 - Đóng khóa khí 01 12 02 - Mở khóa khí số - Đóng điện quạt 03 11 V4 TL1 V3 V2 - Đóng van V2, V5, mở V3, V4 04 TL2 V1 10 - Đóng điện cho máy lạnh hoạt động 08 09 V5 07 06 V6 05 Hình Sơ đồ nguyên lý máy sấy chế độ Khi kết thúc giai đoạn tốc độ sấy khơng đổi chuyển sang bước 2: Vận hành chế độ sấy lạnh Bước 2: Vận hành chế độ sấy nhiệt độ thấp - Mở van V2, V5 2.2.2 Mơ hình thực nghiệm - Điều chỉnh van V3, V4 2.2.5 Kết thực nghiệm a) Vật liệu sấy Nghệ vàng, tên khoa học: Curcuma domestica Valet Chế độ sấy: - Nghệ thái lát dày 1mm, rãi khay lưới mắt cáo 1mm Hình Mơ hình thực nghiệm máy sấy 2.2.3 Ngun lý hoạt động máy sấy lạnh kết hợp chế độ nhiệt độ cao nhiệt độ thấp Giai đoạn (sấy nhiệt độ cao): đóng điện cho hệ thống lạnh hoạt động với dàn ngưng 11, khơng khí gia nhiệt nhiệt lượng dàn ngưng 11 đến nhiệt độ theo u cầu (40450C) Khơng khí sau gia nhiệt quạt thổi vào buồng sấy gia nhiệt cho vật sấy nhận ẩm từ vật sấy Sau khơng khí ẩm quạt hút buồng lạnh để làm lạnh tách ẩm độ ẩm yêu cầu (30-40%), tiếp tục gia nhiệt vào buồng sấy - Thời gian sấy: τ = giờ, suất sấy: G1 = 2kg/mẻ - Độ ẩm ban đầu: ω1 = 80%, độ ẩm cuối: ω2 = 10% - Giai đoạn 1: độ ẩm ban đầu ω1 = 80%, độ ẩm cuối ω2 = 30% Nhiệt độ sấy t1 = 450C, độ ẩm φ = 50%, thời gian τ = 2giờ - Giai đoạn 2: độ ẩm ban đầu ω1 = 30%, độ ẩm cuối ω2 = 10% Nhiệt độ sấy t2 = 200C, độ ẩm φ = 30%, thời gian τ = 6giờ - Khối lượng riêng: ρ = 556 kg/m3 b) Kết thực nghiệm Bảng Kết thực nghiệm bước 1(nhiệt độ cao) Giai đoạn (sấy nhiệt độ thấp): Chuyển hệ thống lạnh hoạt động với dàn ngưng 09, giảm lượng môi chất qua dàn ngưng 11, để giảm nhiệt độ không khí trước vào buồng sấy chế độ sấy lạnh (20 – 250C) 2.2.4 Vận hành mơ hình sấy lạnh kết hợp chế độ Từ đặc điểm phương phấp sấy nóng phương pháp sấy lạnh, chúng tơi đề xuất quy trình vận hành sau: Bước 1: Vận hành chế độ sấy nhiệt độ cao 18 Bảng Kết thực nghiệm bước 2(nhiệt độ thấp) TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG - SỐ 10(71).2013 - Không làm bẩn sản phẩm - Rút ngắn thời gian sấy so với phương pháp sấy lạnh mà đảm bảo chất lượng sản phẩm Hình Sản phẩm trước sấy Hình Đường ẩm 3.2 Nhược điểm mơ hình Vận hành phức tạp so với thiết bị sấy nóng sấy lạnh riêng biệt Hình Sản phẩm sau sấy Bàn luận Kết luận 3.1 Ưu điểm mơ hình - Mơ hình sấy chế độ nhiệt độ cao chế độ sấy nhiệt độ thấp phương pháp sấy nóng, sấy lạnh áp dụng thực tế Hoặc sấy kết hợp hai chế độ nhiệt độ cao nhiệt độ thấp nêu mục 2.2.4 - Về thiết bị giống với phương pháp sấy lạnh Kinh phí mơ hình cao mơ hình sấy lạnh, chắn thấp tổng kinh phí máy sấy nóng máy sấy lạnh - Gia nhiệt nhiệt dàn ngưng nên không gây ô nhiễm môi trường Xây dựng mơ hình sấy lạnh kết hợp chế độ sấy nhiệt độ cao nhiệt độ thấp để sấy thảo dược Sấy thử nghiệm thảo dược nghệ vàng Mơ hình khắc phục hạn chế phương pháp sấy nóng phương pháp sấy lạnh Ngồi mơ hình cịn phục vụ cho việc nghiên cứu, học tập sinh viên, kỹ sư chuyên nghành công nghệ Nhiệt - Lạnh Cần phải tiếp tục nghiên cứu tỉ mĩ, để ứng dụng mơ hình sấy lạnh kết hợp chế độ nhiệt độ cao nhiệt độ thấp vào thực tiễn sản xuất, đặc biệt thảo dược TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Hoàng Văn Chước (1999), Kỹ thuật sấy; NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [2] http://www.nhandan.com.vn, Trần Hảo, Ngọc Sơn, "Để giảm thất thoát sau thu hoạch", ngày 2/04/2012 [3] http://www.duoclieu.org/2012/07/lam-kho-duoc-lieu.html [4] Hà văn Tuấn (2010); Xây dựng phần mềm tính tốn, thiết kế hệ thống sấy lạnh - Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật, Đại học Đà Nẵng [5] Hoàng Ngọc Đồng; Nghiên cứu hệ thống sấy nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt công nghệ sấy nông sản - Đề tài câp bộ, Mã số B2007-ĐN02-29, Đại học Đà Nẵng [6] Nguyễn Hay, Nguyễn Văn Hùng, Nguyễn Văn Cơng Chính, Nguyễn Văn Lành, Lê Quang Giảng; Nghiên cứu sấy nguyên lý bơm nhiệt cho số nông sản Việt Nam, Báo cáo hội nghị khoa học lần thứ 20, ĐHBK Hà Nội Trang 88-92 (BBT nhận bài: 03/03/2013, phản biện xong: 31/03/2013) 19 ... nhiệt độ cao chế độ sấy nhiệt độ thấp phương pháp sấy nóng, sấy lạnh áp dụng thực tế Hoặc sấy kết hợp hai chế độ nhiệt độ cao nhiệt độ thấp nêu mục 2.2.4 - Về thiết bị giống với phương pháp sấy. .. kJ/kgkkk [2] 2.2 Đề xuất mơ hình sấy kết hợp chế độ nóng, lạnh 2.2.1 Đề xuất mơ hình Từ phân tích ta thấy xây dựng hình sấy kết hợp chế độ nóng lạnh nhằm phát huy đặc tính ưu việt cơng nghệ sấy lạnh,... mơ hình cao mơ hình sấy lạnh, chắn thấp tổng kinh phí máy sấy nóng máy sấy lạnh - Gia nhiệt nhiệt dàn ngưng nên không gây ô nhiễm môi trường Xây dựng mô hình sấy lạnh kết hợp chế độ sấy nhiệt độ