Bài giảng thiết kế hệ thống sấy các sản phẩm thực phẩm chương 10 thiết kế hệ thống sấy thăng hoa

CHƯƠNG X THIẾT KẾ HỆ THỐNG SẤY THĂNG HOA X.1 Kết cấu hệ thống sấy thăng hoa X.2 Tính tốn thiết kế hệ thống sấy thăng hoa Khái niệm Sấy thăng hoa (freeze drying) kỹ thuật gọi “làm khơ lạnh”(lyophilisation) hay cịn gọi kỹ thuật khử nước (dehydration), thường sử dụng để bảo quản loại vật liệu nói chung thực phẩm nói riêng, giúp thuận tiện cho vận tải, giữ phẩm chất sản phẩm ban đầu Freeze drying hoạt động cách cấp đông nhanh nguyên liệu sau giảm áp suất môi trường phép tinh thể đá đông (ẩm đóng băng) nguyên liệu thăng hoa trực tiếp từ pha rắn sang pha khí Khái niệm Sấy đông khô chân không kỹ thuật sấy sản phẩm ưu việt Trước hết nguyên liệu đông lạnh đột ngột điểm ngã trạng thái (triple-point temperature), khiến nước sản phẩm đóng thành thể rắn, qua xử lý chân không thăng hoa thành dạng ngưng tụ thành nước thải ngồi, sản phẩm trở thành dạng khơ Giản đồ pha nước A K E F D Nguyên lý làm việc HTS thăng hoa Theo giản đồ pha nước, điểm ba (Triple Point) nước tồn đồng thời ba thể: thể rắn, thể lỏng thể khí Nhiệt độ áp suất điểm ba thể O tương ứng bằng: t = 0,00980C, p = 4,6 mmHg Trên giản đồ pha nước, đường BO biểu diễn ranh giới pha rắn pha Tương tự đường OA ranh giới pha rắn pha lỏng cuối đường OK ranh giới pha lỏng pha khí Điểm K gọi điểm tới hạn, ẩn nhiệt hố xem Nguyên lý làm việc HTS thăng hoa (tiếp) Nếu ẩm vật liệu sấy có trạng thái đóng băng điểm F giản đồ, đốt nóng đẳng áp đến nhiệt độ tD tương ứng với điểm D nước thể rắn thực trình thăng hoa DE Cũng giản đồ thấy áp suất thấp nhiệt độ thăng hoa nước bé Do đó, cấp nhiệt cho vật liệu sấy áp suất thấp độ chênh lệch nhiệt độ nguồn nhiệt VLS tăng Đứng mặt truyền nhiệt ưu điểm sấy thăng hoa so với sấy chân khơng bình thường Q trình sấy thăng hoa chia làm ba giai đoạn: ❖Giai đoạn làm lạnh ❖Giai đoạn thăng hoa ❖Giai đoạn bốc ẩm lại Giai đoạn làm lạnh Trong giai đoạn vật liệu sấy làm lạnh từ nhiệt độ môi trường khoảng 200C xuống đến nhiệt độ - (10÷15)0C Đồng thời giai đoạn khơng gian bình thăng hoa hút chân khơng áp suất bình giảm xuống Do áp suất giảm nên phân áp suất nước khơng gian bình thăng hoa giảm so với phân áp suất nước lòng vật liệu sấy Điều dẫn đến tượng ẩm từ vật liệu sấy vào khơng gian bình thăng hoa Như kết thúc giai đoạn làm lạnh nhiệt độ vật liệu sấy nhỏ nhiệt độ điểm ba Áp suất bình thăng hoa nhỏ áp suất điểm ba Theo số liệu thực nghiệm có khoảng 10÷15% tồn ẩm thoát khỏi vật giai đoạn Giai đoạn thăng hoa Trong giai đoạn này, nhờ dòng nhiệt chủ yếu xạ từ xạ, nước vật liệu sấy bắt đầu thăng hoa mãnh liệt Độ ẩm vật liệu sấy giảm nhanh gần tuyến tính Như giai đoạn thăng hoa xem giai đoạn có tốc độ sấy không đổi Đương nhiên, phần lớn nhiệt lượng vật liệu sấy nhận giai đoạn dùng để biến thành nhiệt ẩn thăng hoa Do đó, nhiệt độ VLS giai đoạn không đổi Cuối giai đoạn này, nhiệt độ VLS tăng từ -(10÷15)0C lên 00C Đến q trình thăng hoa kết thúc Sơ đồ HTS thăng hoa Sơ đồ hệ thống sấy thăng hoa 1-Buồng thăng hoa; 2- Van; 3-Xyfon; 4-Bể chứa nước nóng; 5-Bình ngưng; 6- Bình tách lỏng; 7-Giàn ngưng NH3; 8-Bình chứa NH3; 9-Máy nén; 10-Bơm chân không; 11,12,13-Động điện; 14-Bơm nước; 15-Phin lọc; 16-Tấm gia nhiệt; 17-Chân không kế; 18-Van điều chỉnh; 19-Khay chứa vật liệu sấy; 20-Tấm gia nhiệt dưới; 21-Bộ điều chỉnh nhiệt Cấu tạo HTS thăng hoa Đây hệ thống sấy thăng hoa chu kỳ sử dụng công nghiệp thực phẩm Trong hệ thống này, VLS làm lạnh đến nhiệt độ thích hợp kho lạnh sâu, thường từ -(10 ÷ 15)0C, đưa vào buồng thăng hoa (1) Buồng thăng hoa mặt nối với bơm chân không (10) qua bình ngưng- đóng băng (5) Bình ngưng -đóng băng (5) làm lạnh máy lạnh amoniac gồm máy nén (9), giàn ngưng (7), bình tách lỏng (6) bình chứa amoniac (8) Nhờ bình ngưng- đóng băng (5) mà ẩm thoát từ vật liệu sấy tách dạng băng để máy hút chân không (10) làm việc với khơng khí khơ Điều khơng tạo cho bơm chân không làm việc nhẹ nhàng mà theo tính tốn thực tế chi phí điện cho hệ thống giảm Mặt khác buồng thăng hoa (1) nối với hệ thống cung cấp nước nóng từ bình chứa (4) làm nguồn gia nhiệt cho vật liệu sấy Như vậy, thiết bị hệ thống sấy gián đoạn gồm buồng thăng hoa (1), bình ngưng- đóng băng (5), bơm chân khơng (10) máy lạnh với thiết bị: bình tách lỏng (6), giàn ngưng (7), bình chứa tác nhân lạnh (8) máy nén (9) Máy sấy thăng hoa Máy sấy thăng hoa Cấu tạo buồng thăng hoa Buồng thăng hoa Buồng hình trụ trịn nằm ngang Một đáy hàn liền với hình trụ cịn đáy chỏm cầu gắn kết với thân trụ bulông để đưa vật liệu sấy vào Đỉnh buồng thăng hoa có mặt bích để nối với bơm chân khơng qua bình ngưng- đóng băng Phía buồng thăng hoa người ta bố trí hộp kim loại xen kẽ Trên hộp khay chứa vật liệu sấy Trong hộp nước nóng chuyển động Do nhiệt độ bình thăng hoa thấp có độ chân khơng lớn nên truyền nhiệt thành hộp chứa nước nóng với vật liệu sấy chủ yếu xảy nhờ xạ nhiệt Khay sấy có diện tích (7.6 ÷ 140) m2, đựng 2000 kg Khay sấy làm thép khơng rỉ, có cấu dễ dàng tháo nhập liệu Còn truyền nhiệt làm nhơm, có kích thước 500x400x30mm Cấu tạo bình ngưng - đóng băng Bình ngưng - đóng băng Bình ngưng- đóng băng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống Nó hình trụ đứng, bố trí ống có đường kính 51/57 mm gắn kết với với hình trụ nhờ hai mặt sàng Ngồi sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống xoắn Hỗn hợp nước khơng khí bơm chân khơng hút từ bình thăng hoa qua lưới phân phối phía vào ống Amoniac đưa vào đầy không gian ống Ơ hỗn hợp nước- khơng khí làm lạnh nước hỗn hợp ngưng tụ lại bám vào thành ống, cịn khơng khí khơ qua bơm chân khơng (10) để thải vào khí Ngược lại, amoniac lỏng nhận nhiệt hỗn hợp nước- không khí để bay qua bình tách lỏng (6) máy nén (9) máy lạnh Thiết bị ngưng tụ làm thép không rỉ Bơm chân không Bơm chân không phận quan trọng để tạo độ chân khơng thích hợp bình thăng hoa Ưu điểm PP sấy thăng hoa ➢ Công nghệ sấy thăng hoa tạo sản phẩm có chất lượng tốt Thành phần dinh dưỡng (protein, lipit, gluxit), vitamin, enzyme hoạt chất sinh học, màu sắc, mùi, vị …v.v gần bảo tồn khơng bị phá hủy ➢ Đặc biệt sản phẩm sau sấy có độ xốp mềm, ngâm vào nước hồn ẩm trương nở trở lại gần giống nguyên liệu ban đầu ➢ Sản phẩm sau sấy cho vào túi ép chân không, quản bảo nhiệt độ phịng, thời gian sử dụng kéo dài, chi phí bảo quản thấp, chất lượng bị thay đổi ➢ Các sản phẩm cịn có trọng lượng nhỏ, dễ dàng vận chuyển nên giảm công chuyên chở Nhược điểm ✓Chi phí sấy cho kg sản phẩm cao ✓Hệ thống phức tạp, cồng kềnh, phải dùng đồng thời bơm chân không máy lạnh ✓Vận hành phức tạp địi hỏi cơng nhân có trình độ kỹ thuật cao Tính tốn nhiệt thiết bị HTS thăng hoa • Tính tốn nhiệt bình thăng hoa • Tính tốn bình ngưng - đóng băng • Thời gian xả băng thời gian đuổi khí bình thăng hoa