Đề tài bức xạ nhiệt và ứng dụng công nghệ sấy bức xạ hồng ngoại

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÍ ĐỀ TÀI: BỨC XẠ NHIỆT VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SẤY BỨC XẠ HỒNG NGOẠI Giáo viên hướng dẫn: Nguyễn Đình Quang Lớp : L10 Nhóm : THÀNH VIÊN NHÓM STT Thành viên MSSV Phùng Thế Hoan 2211055 Phan Thanh Hùng 2211345 Hoàng Quang Huy 2211171 Vũ Thị Thùy Hương 2211406 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU TỔNG QUAN NỘI DUNG I BỨC XẠ NHIỆT Định nghĩa Tính chất Cơ chế II CÔNG NGHỆ SẤY BỨC XẠ HỒNG NGOẠI Cấu tạo Nguyên lí hoạt động 10 Ưu điểm 12 Nhược điểm 12 Một số ứng dụng công nghệ sấy xạ hồng ngoại 13 KẾT LUẬN 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO 17 LỜI NÓI ĐẦU Lời cảm ơn Trên thực tế khơng có thành công mà không gắn liền với hỗ trợ, giúp đỡ dù hay nhiều, dù trực tiếp hay gián tiếp người khác Trong suốt thời gian từ bắt đầu học tập giảng đường đại học đến nay, chúng em nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ quý thầy cô, bạn bè Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý thầy cô Trường Đại học Bách Khoa – Đai học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh với tri thức tâm huyết để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian học tập trường Và đặc biệt, học kỳ này, chúng em tiếp cận với mơn học mà theo em hữu ích sinh viên tất sinh viên thuộc chun ngành khác Đó mơn học Vật lý Đại cương A2 Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy tận tâm hướng dẫn chúng em qua buổi học lớp buổi nói chuyện, thảo luận lĩnh vực sáng tạo nghiên cứu khoa học Nếu khơng có lời hướng dẫn, dạy bảo thầy chúng em nghĩ báo cáo khó hồn thiện Một lần nữa, chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Bài báo cáo thực khoảng thời gian gần tháng Bước đầu vào thực tế, tìm hiểu lĩnh vực sáng tạo nghiên cứu khoa học, kiến thức chúng em hạn chế cịn nhiều bỡ ngỡ Do vậy, khơng tránh khỏi thiếu sót điều chắn, chúng em mong nhận ý kiến đóng góp quý báu thầy bạn học lớp để kiến thức em lĩnh vực hoàn thiện Chúng em xin kính chúc thầy thật dồi sức khỏe, niềm tin để tiếp tục thực sứ mệnh cao đẹp truyền đạt kiến thức cho hệ mai sau TỔNG QUAN Đề tài: Bức xạ nhiệt - Ứng dụng xạ nhiệt Công nghệ sấy xạ hồng ngoại Bức xạ nhiệt ứng dụng điển hình, phổ biến rộng rãi khoa học vật lý vào thực tế đời sống Trong giai đoạn ngày nay, nhận thấy có nhiều công nghệ ứng dụng xạ nhiệt dựa khía cạnh ích lợi tác hại tượng Một ứng dụng áp dụng rộng rãi đời sống công nghệ sấy xạ hồng ngoại Dựa kiến thức xạ nhiệt, nhóm em đưa thông tin khoa học để trả lời câu hỏi sau: • Cấu tạo cơng nghệ sấy xạ hồng ngoại • Ngun lí hoạt động cơng nghệ sấy xạ hồng ngoại • Ưu nhược điểm công nghệ sấy xạ hồng ngoại NỘI DUNG I BỨC XẠ NHIỆT Định nghĩa Một vật nhận lượng từ bên ngoài, phát xạ điện từ, người ta phân loại trình xạ sau: • Hố phát quang: Q trình xạ nhờ phản ứng hố học • Điện phát quang: Q trình xạ nhờ kích thích dịng điện • Quang phát quang: Q trình xạ sau vật hấp thụ xạ bước song ngắn • Bức xạ nhiệt: Q trình xạ vật bị nung nóng Định nghĩa Bức xạ nhiệt lượng vật phát dạng xạ điện từ vật chuyển động nhiệt hạt điện tích vật chất bị kích thích tác dụng nhiệt Hình 1.1 Bức xạ nhiệt từ Mặt Trời đến Trái Đất Bức xạ nhiệt phản ánh chuyển hóa lượng nhiệt thành lượng điện từ Nhiệt động chuyển động ngẫu nhiên nguyên tử, phân tử vật chất Năng lượng điện từ sóng điện từ lan truyền chân không Bức xạ nhiệt truyền tải lượng từ nguồn nóng đến nguồn lạnh thơng qua phân tử khơng khí chất rắn Tất vật chất với nhiệt độ lớn độ không tuyệt đối (0oK) phát xạ nhiệt Tính chất Có chất sóng điện từ, lan truyền chân khơng, mang tính chất hạt tính chất sóng: • Tần số: Bức xạ nhiệt có tần số cao so với ánh sáng Tần số số học liên quan đến số lần dao động sóng nhiệt • Phổ: Bức xạ nhiệt có phổ đa dạng, bao gồm bước sóng từ ngắn đến dài Các loại phổ khác sử dụng ứng dụng khác Hình 1.2 Phổ xạ nhiệt • Tốc độ truyền: Tốc độ truyền xạ nhiệt phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm cấu trúc chất xạ, mật độ chất xạ, phản xạ hấp thụ chất xạ Thường tốc độ xạ nhiệt tốc độ ánh sáng Có thể tồn cân với vật Khi lượng vật xạ lượng vật hấp thụ dạng nhiệt Khi vật trạng thái cân ứng với nhiệt độ không đổi Q trình trao đổi nhiệt xạ ln kèm theo hai lần biến đổi dạng lượng: trình biến nội thành sóng điện từ vật phát xạ trình biến đổi ngược lại vật hấp thụ Cơ chế Sự va chạm nguyên tử hoạt động làm thay đổi động nguyên tử phân tử Từ dẫn đến làm tăng tốc điện tích gây dao động lưỡng cực, điều làm sản sinh xạ điện từ độ rộng phổ xạ tương ứng với độ rộng phổ lượng gia tốc nhiệt độ định Bức xạ điện từ truyền từ nguồn nóng đến nguồn lạnh thơng qua dao động phân tử chất xạ Khi phân tử dao động, chúng phát sóng nhiệt, cịn gọi xạ nhiệt Sóng nhiệt truyền tải lượng nhiệt qua khơng khí chất rắn Trong việc truyền lượng qua trình dẫn truyền cần mơi trường để xử lý, xạ nhiệt, khơng cần mơi trường để dẫn truyền Ứng dụng Hiện tượng xạ nhiệt ứng dụng nhiều thực tiễn: • Trong lĩnh vực chiếu xạ, soi chiếu an ninh • Trong lĩnh vực ý tế, hỗ trợ điều trị bệnh, giúp chẩn đốn bệnh khác với cơng nghệ xạ hạt nhân • Trong kinh tế, kỹ thuật để tạo nhiều sản phẩm phục vụ cho sống hàng ngày thực phẩm, đồ dùng, đồ sinh hoạt Một ứng dụng phổ biến xa nhiệt sống ngày công nghê sấy xạ hồng ngoại II CÔNG NGHỆ SẤY BỨC XẠ HỒNG NGOẠI Bức xạ hồng ngoại xa điện từ có bước sóng khoảng từ 0,76 µm – 10−3 m, lớn bước sóng vùng ánh sáng khả kiến, có chất sóng điện từ, khơng thể nhìn thấy mắt thường Cơng nghệ sấy xạ hồng ngoại phương pháp sấy vật liệu ẩm cách sử dụng nhiệt phát từ xạ hồng ngoại tác nhân để làm bay nước có vật liệu ẩm Hầu hết loại vật liệu ẩm cấu tạo từ nước hợp chất hữu Bên cạnh đó, điều kiện giống nước loại hợp chất hữu lại hấp thụ lượng cực đại xạ hồng ngoại bước sóng khác Đây đặc điểm để điều chỉnh lượng xạ bước sóng thích hợp, khiến nước vật liệu ẩm bay nhiều tốt Cấu tạo Hệ thống sấy xạ hồng ngoại có cấu tạo gồm phần: a Khung hệ thống máy Khung hệ thống máy nhà sản xuất quy định, thiết kế phụ thuộc vào yếu tố liên quan đến mặt bằng, mục đích chế biến vât liệu ẩm như: • Cơ sở sản xuất • Đặc điểm chuỗi sản xuất • Vật liệu ẩm cần sấy khô b Nguồn nhiệt phát xạ hồng ngoại Nguồn nhiệt thường sử dụng hệ thống đèn hồng ngoại bóng đèn với công suất lớn, điện trở… Vật sấy chuyển động liên tục nhờ băng tải, tự chảy, dịng lưu động khí hạt, tầng sơi Để q trình bay ẩm tốt tránh cho vật bị nóng mức, người ta dùng quạt đối lưu cưỡng tác nhân sấy Chính nên cịn gọi hệ thống sấy xạ - đối lưu c Hệ thống điều khiển Hê thống sấy xạ hồng ngoại có nhiều loại hệ thống điều khiển khác sử dụng để điều chỉnh nhiệt độ thời gian sấy phù hợp với vật phẩm khác bao gồm công nghệ analog hay digital Hình 2.1 Hệ thống sấy khơ tờ in Ngồi ra, tùy mục đích nhà sản xuất mà hệ thống thiết kế thêm phận bổ trợ cho trình sản xuất, chế biến vật liệu ẩm như: • Quạt – Hệ thống thổi khí: Quạt lắp đặt phía sau bóng đèn hồng ngoại để hỗ trợ trình sấy cách phân phối khơng khí nóng khắp vật phẩm • Khay sấy: Khay sấy có nhiều tầng để đặt vật phẩm cần sấy Khi bóng đèn hồng ngoại kích hoạt, nhiệt độ lan tỏa tầng để sấy khơ vật phẩm • Cửa kính, tay cầm, đèn LED phận hút ẩm để tạo sản phẩm hoàn thiện sấy khơ tối ưu Ngun lí hoạt động 10 Hệ thống sấy bố trí bóng đèn hồng ngoại bên buồng sấy Khả truyền nhiệt tốc độ truyền nhiệt vào sản phẩm loại đèn sấy hồng ngoại phụ thuộc vào yếu tố: • Nhiệt độ bên ngồi bóng đèn phát nhiệt vật nhận nhiệt • Tính chất bề mặt hình dáng bóng đèn • Tính chất bề mặt hình dáng vật liệu ẩm nhận nhiệt lượng Các bóng đèn phát lượng xạ liên tục với cường độ cao Trong trình sấy xạ hồng ngoại, cấp điện cho bóng đèn hồng ngoại đèn phát sáng sản sinh tia hồng ngoại chiếu tới vật liệu ẩm phòng sấy Dao động nhiệt photon phát từ xạ hồng ngoại va chạm truyền động cho electron môi trường vật liệu ẩm sấy, nội nước vật liệu ẩm tăng lên nhanh chóng, ma sát phân tử nước tăng lên dẫn đến nhiệt độ nước tăng lên dần tới nhiệt độ sôi, cắt đứt liên kết phân tử H+ với phân tử OH-, phân tử nước với cấu trúc hữu Kết nước chuyển pha từ trạng thái lỏng sang trạng thái bốc theo chiều ly tâm bên vật liệu ẩm ngồi mơi trường sấy, đưa vật liệu sấy môi trường buồng sấy nhanh đạt đến nhiệt độ yêu cầu đồng Trong hợp chất hữu cấu thành nên vật liệu ẩm giống vật suốt hấp thụ không đáng kể xạ hồng ngoại chiếu tới Vì hợp chất hữu cấu tạo nên vật liệu ẩm loại thực phẩm chúng khơng bị ảnh hưởng bước sóng hồng ngoại tới bước sóng hồng ngoại tác động đến Ngồi ra, khả làm bay nước tự do, nhiệt độ đóng vai trị quan trọng vào q trình làm khơ vật liệu ẩm, tính chất nhiệt mà xạ hồng ngoại sinh Vì vậy, có hai tác nhân để làm khơ vật liệu ẩm bước sóng xạ hồng ngoại nhiệt độ xạ hồng ngoại phát Trên thực tế, việc điều chỉnh lượng xạ tia hồng ngoại tới bước sóng mà nước tự vật liệu ẩm hấp thụ cực đại hoàn toàn thực được, có mối quan hệ bước sóng nhiệt độ bóng đèn hồng ngoại là: λ𝑚𝑎𝑥 = 2886 𝑇 Trong 11 λ𝑚𝑎𝑥 - bước sóng nước tự vật liệu ẩm hấp thụ cực đại 𝑇 – nhiệt độ bóng đèn hồng ngoại Từ cơng thức chủ động điều khiển nhiệt độ bóng đèn thu bước sóng phù hợp, bước sóng phù hợp theo nghiên cứu vào khoảng 2.5 - 3.5 μm, khoảng cách bước sóng mà nước hấp thụ cực đại Ưu điểm Vật liệu ẩm thu sau q trình sấy khơ hồng ngoại có chất lượng khơng thay đổi so với trước sấy, sản phẩm sấy thực phẩm, trái cây, hải sản đồ ăn Q trình sấy khơng làm vật liệu ẩm bị nhiễm khuẩn, đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm mức cao Công nghệ sấy tia hồng ngoại giúp rút ngắn thời gian sản xuất, giúp tiết kiệm chi phí cho thành phẩm Phương pháp hồn tồn khơng có tác động chất xúc tác (hóa chất), khơng gây nhiễm môi trường không gây ảnh hưởng đến sức khỏe người Tia hồng ngoại cịn có khả tiêu diệt côn trùng tiệt trùng sản phẩm sấy, giúp đảm bảo chất lượng cho sản phẩm sấy Nhược điểm Khả xuyên thấu công nghệ sấy xạ hồng ngoại kém, sấy khơ sản phẩm mỏng, kích thước nhỏ Một số vật liệu sấy không giữ nguyên trạng ban đầu, thành phẩm thường bị cong, vênh, bị nứt sau sấy Chỉ dùng cho loại vật liệu ẩm cắt lát, mỏng, không phù hợp với vật cần sấy khác gốm, men sứ, gỗ… 12 Một số ứng dụng công nghệ sấy xạ hồng ngoại a Đèn sấy sơn hồng ngoại Đèn sấy sơn tia hồng ngoại sản phẩm lý tưởng để sấy khơ bề mặt sơn từ nhỏ đến trung bình thích hợp q trình sơn nhanh Hình 2.2 Đèn sấy sơn hồng ngoại Đặc điểm Đèn sấy sơn tia hồng ngoại sử dụng cơng nghệ sóng ngắn, sóng ngắn có khả truyền nhiệt sâu vào hết lớp sơn làm tăng chất lượng sấy Chói đèn mạ vàng cho phân phối nhiệt tối ưu Quạt thông gió mạnh mẽ làm tăng tuổi thọ cấu điều khiển bóng đèn Có thể sấy cho tất vật liệu sơn Dễ dàng điều chỉnh điều chiều cao góc sấy đèn nhẹ nhàng nhờ giảm chấn khơng khí b Máy sưởi xạ hồng ngoại 13 Máy sưởi xạ hồng ngoại sản phẩm lý tưởng sử dụng phạm vi rộng ứng dụng ngành công nghiệp, trang trại, nhà hàng,… Hình 2.3 Máy sưởi xạ hồng ngoại Đặc điểm Tốc độ truyền nhiệt nhanh làm giảm tối đa thời gian sấy, tăng hiệu suất sấy Vùng sấy rộng Phân phối nhiệt đồng đảm bảo chất lượng sấy tốt Sấy nhiều loại vật liệu Quá trình sấy nhanh, đơn giản, dễ điều khiển Dễ lắp đặt, sử dụng cho nhiều công nghiệp c Cân sấy ẩm hồng ngoại: Trong cân sấy ẩm, ứng dụng hồng ngoại ứng dụng để cấu tạo nên phận gia nhiệt thiết bị thiết bị gọi cân sấy ẩm hồng ngoại, chung thực sấy nhiệt độ 50-1600 °𝐶 14 Hình 2.4 Cân sấy ẩm hồng ngoại Đặc điểm Các tác động xạ hồng ngoại q trình sấy khơng ảnh hưởng tới tính chất khác không làm biến dạng vật mẫu Hệ thống đèn hồng ngoại cân sấy ẩm cấu tạo đơn giản, dễ vệ sinh Các cân sấy ẩm hồng ngoại tích hợp nhiều tính tự động thông minh giúp việc sử dụng dễ dàng tiện lợi Các thao tác thủ công lược bớt, đồng thời tăng độ xác kết đo 15 KẾT LUẬN Qua tìm hiểu, thấy xạ nhiệt tượng vật lý có tầm quan trọng lớn sống Dù có lợi hay có hại xạ nhiệt góp phần ứng dụng vào sống ngày để làm sống ngày đại phát triển Những ứng dụng xạ nhiệt vào sống ứng dụng thiết thực áp dụng rỗng rãi Và khơng thể thiếu số cơng nghệ sấy xạ hồng ngoại phân tích, tìm hiểu phía Cơng nghệ sấy xạ hồng ngoại có nhiều ưu điểm so với phương pháp sấy truyền thống khác Đầu tiên, có tốc độ sấy nhanh hơn, giúp tiết kiệm thời gian lượng Thứ hai, phương pháp không cần sử dụng chất xúc tác, giúp tránh tình trạng bị nhiễm chất xúc tác không ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Thứ ba, công nghệ sấy xạ hồng ngoại đảm bảo độ ổn định trình sấy, giúp tránh tình trạng sản phẩm bị đốm đảm bảo chất lượng sản phẩm sau sấy Tuy nhiên, công nghệ sấy xạ hồng ngoại có số hạn chế giá thành đầu tư ban đầu cao, không phù hợp với số loại sản phẩm Do đó, cần phải cân nhắc yếu tố kỹ thuật kinh tế để đưa định sử dụng phương pháp sấy cho sản phẩm cụ thể Trong tổng quan, công nghệ sấy xạ hồng ngoại phương pháp sấy nhanh, hiệu đáng tin cậy, giúp đạt chất lượng sản phẩm cao tiết kiệm chi phí sản xuất 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO Giáo trình Vật lý đại cương A2 – Nguyễn Thị Bé Bảy, Lý Anh Tú, Trần Thị Ngọc Dung, Nguyễn Đình Quang, Lê Quang Nguyên – Trường Đại Học Bách Khoa – Đại học Quốc Gia TP Hồ Chí Minh Cơng nghệ sấy xạ hồng ngoại sản xuất, chế biến bảo quản thực phẩm (Kỳ 1-2021) – Sở Cơng thương Sóc Trăng Nghiên cứu ảnh hưởng nhiệt độ sấy sản phẩm Cá khô phương pháp sấy hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh – Tạp chí Khoa học Công nghệ chế tạo – Chương 7: Sấy nông sản – Bài 4: Phương pháp sấy Máy sấy xạ 17