1. Trang chủ
  2. » Luận Văn - Báo Cáo

Báo cáo thí nghiệm quá trình và thiết bị trong công nghệ thực phẩm bài thực hành số 1 thí nghiệm sấy vật liệu ẩm

63 6 0
Tài liệu đã được kiểm tra trùng lặp

Đang tải... (xem toàn văn)

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

THÔNG TIN TÀI LIỆU

Thông tin cơ bản

Tiêu đề Báo Cáo Thí Nghiệm Quá Trình Và Thiết Bị Trong Công Nghệ Thực Phẩm
Tác giả Nguyễn Thụy Phương Linh, Bùi Thị Thanh Nhàn, Nguyễn Thanh Bảo Ngọc, Lục Thị Hồng Phấn
Người hướng dẫn ThS. Đỗ Thùy Khánh Linh
Trường học Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành Công Nghệ Thực Phẩm
Thể loại báo cáo
Năm xuất bản 2022
Thành phố Thành Phố Hồ Chí Minh
Định dạng
Số trang 63
Dung lượng 3,88 MB

Cấu trúc

  • 1.1 TỔNG QUAN (10)
    • 1.1.1 Tổng quan về phương pháp sấy (10)
    • 1.1.2 Tổng quan về vật liệu sấy (12)
  • 1.2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU (13)
    • 1.2.1 Nguyên liệu, dụng cụ (13)
    • 1.2.2 Phương pháp nghiên cứu (14)
  • 1.3 KẾT QUẢ VÀ BẢN LUẬN (18)
    • 1.3.1 Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy (18)
    • 1.3.2 Kết quả sấy đối lưu (18)
    • 1.3.3 Kết quả sấy hồng ngoại (22)
    • 1.3.4 Kết quả sấy lạnh (24)
    • 1.3.5 Bàn luận (27)
  • 1.4 KẾT LUẬN (28)
  • 1.5 TÀI LIỆU THAM KHẢO (28)
  • 2.1. MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM (30)
  • 2.2. TỔNG QUAN (30)
    • 2.2.1. Khái niệm về thiết bị trao đổi nhiệt (30)
    • 2.2.2. Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt (30)
    • 2.2.3. Một số thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp (32)
    • 2.2.4. Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống (37)
  • 2.3. DỤNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM (39)
    • 2.3.1. Dụng cụ và thiết bị (39)
    • 2.3.2. Phương pháp tiến hành thực nghiệm (40)
  • 2.4. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN (41)
    • 2.4.1. Kết quả (41)
    • 2.4.2. Bàn luận (47)
  • 2.5. TÀI LIỆU THAM KHẢO (48)
  • 3.1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LẠNH ĐÔNG (49)
    • 3.1.1. Khái niệm lạnh động (49)
    • 3.1.2 Các hiện tượng xảy ra trong quá trình lạnh đông (49)
    • 3.1.3 Các phương pháp lạnh đông (50)
    • 3.1.4. Cơ sở lý thuyết của quá trình lạnh đông (52)
    • 3.1.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lạnh đông (53)
  • 3.2. NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN (54)
    • 3.2.1. Dụng cụ, thiết bị và nguyên liệu thực nghiệm (54)
    • 3.2.2 Phương pháp thực hiện (56)
  • 3.3. KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN (59)
    • 3.3.1. Độ biến thiên nhiệt độ theo thời gian của sản phẩm trong quá trình lạnh đông chậm (59)
    • 3.3.2. Độ biến thiên nhiệt độ theo thời gian của sản phẩm trong quá trình lạnh đông nhanh (60)
    • 3.3.3. Đánh giá cảm quan mẫu khoai lang sau quá trình lạnh đông (61)
    • 3.3.4. Bàn luận (62)
  • 3.4. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ (62)
  • 3.5 TÀI LIỆU THAM KHẢO (0)

Nội dung

13 Kết quả tính toán quá trình truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng cố định dòng lạnh...37 Trang 10 BÀI THỰC HÀNH SỐ 1: THÍ NGHIỆM SẤY VẬT LIỆU ẨM1.1 TỔNG QUAN1.1.1Tổng quan về phương p

TỔNG QUAN

Tổng quan về phương pháp sấy

Quá trình sấy sử dụng nhiệt để giảm hàm lượng ẩm trong nguyên liệu dựa trên sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước trên bề mặt nguyên liệu và môi trường xung quanh Trong đó, nước di chuyển từ nguyên liệu ra môi trường xung quanh thông qua hai quá trình chính: khuếch tán từ bên trong nguyên liệu ra bề mặt do sự chênh lệch hàm lượng ẩm, và khuếch tán từ bề mặt nguyên liệu ra môi trường xung quanh do sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của hơi nước.

Quá trình sấy là một phương pháp bảo quản và chế biến nông sản, thực phẩm có lịch sử lâu đời và được sử dụng phổ biến Mục tiêu chính của quá trình sấy là giảm hàm lượng ẩm, từ đó ức chế sự phát triển của vi sinh vật và các biến đổi hóa học không mong muốn Ngoài ra, quá trình sấy còn tạo ra những biến đổi về mặt hóa học và cảm quan, giúp nâng cao giá trị và chất lượng sản phẩm Động học sấy là một mô hình toán học phức tạp mô tả các hiện tượng vận chuyển nhiệt và khối lượng trong quá trình sấy, bao gồm các phương pháp như sấy không khí nóng, sấy đốt xung, sấy nhanh, sấy vi sóng và các công nghệ hiện đại như sấy hồng ngoại, sấy âm và sấy đông lạnh.

Các phương pháp làm khô và điều kiện thực hiện có tác động đáng kể đến màu sắc, kết cấu, mật độ và độ xốp của vật liệu, đồng thời ảnh hưởng đến trạng thái cảm quan và đặc tính hấp thụ của chúng.

Tác nhân sấy đóng vai trò quan trọng trong quá trình sấy khô, giúp tách hàm lượng ẩm từ vật liệu sấy khỏi thiết bị sấy Trong quá trình này, môi trường xung quanh vật sấy luôn được bổ sung ẩm thoát ra từ vật sấy, đòi hỏi tác nhân sấy phải cung cấp nhiệt để hóa hơi ẩm lỏng Đối với các thiết bị sấy tiếp xúc, bức xạ, tác nhân sấy chỉ chuyển ẩm, trong khi nguồn nhiệt đến từ bề mặt đốt nóng hoặc nguồn bức xạ Ngược lại, ở các thiết bị sấy đối lưu, tác nhân sấy vừa cung cấp nhiệt vừa tải ẩm, giúp quá trình sấy khô diễn ra hiệu quả hơn.

Tác nhân sấy thường được sử dụng là các chất khí như không khí, khói, hơi quá nhiệt, bên cạnh đó chất lỏng cũng được ứng dụng như dầu, muối nóng chảy, Trong đó, hai loại tác nhân sấy phổ biến nhất là không khí ẩm và khói lò.

1.1.1.2 Các phương pháp sấy a Sấy khô tự nhiên

Phương pháp sấy khô sản phẩm dưới ánh sáng mặt trời tận dụng năng lượng nhiệt từ mặt trời để làm khô thực phẩm Để đạt hiệu quả tốt nhất, thực phẩm nên được phơi dưới ánh nắng trực tiếp vào những ngày nắng nóng, khô ráo, thoáng mát với nhiệt độ tối thiểu là 86 o F (30 o C) Nhiệt độ càng cao sẽ càng thuận lợi cho quá trình sấy, đồng thời độ ẩm cần đạt dưới 60% là tốt nhất Tuy nhiên, do điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm ngoài tự nhiên khó kiểm soát, việc sấy tự nhiên có thể gặp nhiều rủi ro.

Khi lựa chọn khay hoặc giàn phơi sấy khô, nên ưu tiên các vật liệu không gỉ, sợi thủy tinh phủ teflon hoặc nhựa để tránh gây phản ứng với thực phẩm Tránh sử dụng khay hoặc giàn làm từ lưới đan kim loại, đồng hoặc nhôm vì chúng có thể gây oxy hóa, phá hủy vitamin C hoặc làm biến màu thực phẩm Ngoài ra, có thể sử dụng gỗ làm giàn nhưng nên tránh các loại gỗ như thông, tuyết tùng, sồi hoặc gỗ đỏ Để đảm bảo quá trình sấy khô hiệu quả, nên đặt khay hoặc giàn trên nơi cao ráo, tránh ẩm ướt và có thể sử dụng vật liệu phản xạ như nhôm hoặc thiếc để tăng nhiệt độ sấy Cuối cùng, nên che khay bằng vải thưa để bảo vệ thực phẩm khỏi bụi bẩn, côn trùng và động vật.

Phương pháp sấy thăng hoa là một kỹ thuật hiện đại hoạt động dựa trên cơ chế đóng băng vật liệu và giảm áp suất xung quanh, cho phép nước thăng hoa trực tiếp từ pha rắn sang pha khí Ưu điểm của phương pháp này là giúp sản phẩm giữ được hầu hết tính chất ban đầu, đồng thời có độ xốp nhất định và bảo toàn các chất dinh dưỡng Tuy nhiên, chi phí thực hiện phương pháp sấy thăng hoa khá cao và quy trình phức tạp, nên thường được áp dụng cho các sản phẩm có giá trị cao.

Phương pháp sấy đối lưu là kỹ thuật sấy sử dụng tác nhân sấy như không khí nóng, gió nóng hoặc khói lò tác động trực tiếp lên vật liệu sấy Dòng khí nóng được luân chuyển và đảo chiều qua vật liệu để đảm bảo quá trình sấy hiệu quả Nhiệt độ sấy thường được khuyến cáo trong khoảng từ 60 đến 115 độ C, tùy thuộc vào loại vật liệu sấy và yêu cầu về hàm lượng ẩm của sản phẩm sau sấy.

Quá trình sấy khô bằng vi sóng là phương pháp làm khô vật liệu bằng cách sử dụng tia sóng bức xạ điện từ siêu nhỏ, hoạt động trong tần số từ 300 MHz đến 300 GHz Khi truyền qua vật liệu sấy, vi sóng sẽ gia nhiệt cho chúng, giúp giảm lượng ẩm xuống nhanh chóng thông qua quá trình hấp thụ năng lượng từ lò vi sóng của nước, chất béo và các chất khác trong thực phẩm.

Phương pháp sấy chân không là một giải pháp hiệu quả giúp tiết kiệm điện năng đồng thời giữ lại gần như nguyên vẹn các chất dinh dưỡng và màu sắc ban đầu của nông sản và thực phẩm.

Phương pháp sấy này đặc biệt phù hợp với các vật liệu dễ bị oxy hóa, không thích hợp khi tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ cao, hoặc những vật liệu dễ bám bụi, dễ cháy nổ, và đặc biệt là những vật liệu có dung môi quý cần thu hồi.

Sấy chân không là phương pháp sấy khô hiện đại, mang lại nhiều lợi ích so với sấy tự nhiên thông thường Với tốc độ sấy cao hơn và nhiệt độ sấy thấp hơn trong môi trường chân không, phương pháp này giúp cải thiện chất lượng và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm Ngoài ra, sấy chân không cũng tiết kiệm năng lượng hơn do sử dụng ít năng lượng cần thiết, đồng thời giảm thiểu thời gian xử lý và hạn chế gây hại cho sản phẩm.

Phương pháp sấy hồng ngoại sử dụng nguồn bức xạ là tia hồng ngoại để làm tăng nhiệt độ sản phẩm, tạo ra gradient nhiệt lớn giữa bề mặt và bên trong vật liệu sấy, giúp quá trình tách ẩm diễn ra nhanh hơn và giảm thời gian sấy Phương pháp này không chỉ giúp giữ màu tốt cho sản phẩm sau sấy mà còn hạn chế tổn thất chất dinh dưỡng, đồng thời làm nóng vật liệu một cách đồng đều Ngoài ra, việc kiểm soát nhiệt độ của vật liệu cũng trở nên dễ dàng hơn, và cách vận hành đơn giản hơn, không tốn kém.

Là phương pháp sấy sử dụng nhiệt độ thấp để làm khô thực phẩm ở trong buồng sấy với nhiệt độ âm sâu để sản phẩm thoát hơi nước

Vật liệu sấy thường được tách ẩm trước khi đưa vào buồng sấy để đảm bảo chất lượng sản phẩm Quá trình sấy này giúp giữ lại màu sắc và chất dinh dưỡng của sản phẩm gần như tuyệt đối, không bị mất mát do nhiệt Đặc biệt, phương pháp này còn có thể sấy được những sản phẩm mà công nghệ sấy thông thường không thể thực hiện, chẳng hạn như các sản phẩm dễ nóng chảy như socola, bánh kẹo, các sản phẩm dễ tạo màng do nhiệt như chuối, thanh long, và các sản phẩm có dầu mỡ như hải sản, bột nông sản có dầu.

1.1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

Bản chất của vật liệu sấy: cấu trúc, thành phần hóa học,

Tổng quan về vật liệu sấy

Khoai lang có nguồn gốc từ các đảo nhiệt đới Thái Bình Dương và phía bắc New Zealand, nơi nó được trồng lần đầu tiên Ngày nay, loại cây lương thực này được trồng rộng rãi ở nhiều vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới trên thế giới Ưu điểm của khoai lang là không đòi hỏi điều kiện canh tác phức tạp và chi phí sản xuất thấp, nhưng vẫn mang lại sản lượng đáng kể.

Một củ khoai lang chứa khoảng 14mg beta caroten, một chất có khả năng chống ung thư hiệu quả, đặc biệt là ung thư phổi, ngay cả ở những người nghiện thuốc lá Ngoài ra, beta caroten còn giúp tăng cường khả năng miễn dịch, giảm nguy cơ mắc các bệnh như cườm mắt, tai biến động mạch não, chứng kích tim và hạ cholesterol trong máu.

Cấu tạo khoai lang gồm 3 phần: vỏ ngoài, vỏ cùi và thịt củ Phần lớn tinh bột và các hợp chất chứa nito ở thịt củ.

Một số giống khoai lang ở Việt Nam như: khoai lang Hoàng Long, khoai lang Lệ Cần, khoai lang Bình Tân,

1.1.2.2 Hàm lượng dinh dưỡng của khoai lang

Thành phần trong 100g) Hàm lượng

Bảng 1 1 Thành phần dinh dưỡng của khoai lang

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nguyên liệu, dụng cụ

Nguyên liệu được sử dụng trong bài thí nghiệm là khoai lang Nhật được mua tại Bách hóa xanh.

Dụng cụ: dao, thớt, khay nhôm, khay lưới, thiết bị sấy đối lưu, thiết bị sấy lạnh, thiết bị sấy hồng ngoại.

Phương pháp nghiên cứu

Hình 1 2 Sơ đồ quy trình công nghệ sấy

1.2.2.1.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Việc lựa chọn nguyên liệu là bước đầu tiên và quan trọng nhất để đảm bảo chất lượng sản phẩm Để có được sản phẩm tốt, bạn nên chọn những củ khoai lang có kích thước to, đồng đều, không bị dập nát, hư thối, sâu bệnh và chưa mọc mầm.

Quy trình xử lý nguyên liệu là bước đầu tiên quan trọng trong sản xuất, bao gồm rửa và gọt vỏ để loại bỏ tạp chất như đất, cát bám bên ngoài vỏ và tạo cảm quan cho sản phẩm Để thực hiện bước này, nguyên liệu sẽ được cắt bỏ hai đầu, sau đó rửa sạch dưới vòi nước Tiếp theo, vỏ sẽ được gọt bỏ cẩn thận Đặc biệt, cần lưu ý không rửa lại nguyên liệu sau khi gọt vỏ để tránh làm sai lệch độ ẩm, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm.

Cắt lát khoai lang thành từng miếng nhỏ với kích thước khoảng 3*3*0.4 cm giúp dễ dàng xác định diện tích bề mặt nguyên liệu, thuận tiện tính toán các thông số và rút ngắn thời gian sấy.

Kiểm tra thiết bị. Điều chỉnh thông số thiết bị phù hợp với điều kiện bài thí nghiệm.

Cân xác định khối lượng (sau mỗi 10 phút) Sấy đến khi khối lượng không đổi. o Thông số:

Sấy đối lưu: nhiệt độ sấy 70 o C Sấy lạnh: Nhiệt độ thiết bị bay hơi: 7℃

Nhiệt độ thiết bị ngưng tụ: 6℃

Nhiệt độ môi trường sấy: 33℃

Sấy hồng ngoại: chế độ Medium

 Xác định độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy W o

Quy trình xác định độ ẩm của mẫu dựa trên nguyên tắc sử dụng nhiệt để làm bay hơi nước tự do, từ đó tính toán được độ ẩm của mẫu Cụ thể, mẫu sẽ được sấy ở nhiệt độ 105 độ C cho đến khi đạt khối lượng không đổi, sau đó lặp lại thí nghiệm này 3 lần để đảm bảo độ chính xác của kết quả.

Công thức tính độ ẩm ban đầu:

W o =m o −m 1 m o ×100(%) (1.1) Trong đó: m o (g): khối lượng mẫu trước khi sấy; m 1 (g): khối lượng mẫu trung bình sau khi sấy.

 Xác định hàm lượng ẩm biến thiên theo thời gian Wj

Sau thời gian τ=τ j đem mẫu cân xác định được G j theo công thức:

G o (kg) : khối lượng ban đầu của vật liệu sấy;

G j (kg) : khối lượng vật liệu sấy tại thời điểm τ=τ j ;

W j (%) : độ ẩm của vật liệu sấy tại thời điểm τ=τ j ;

∆ τ=τ j+1 −τ j phút thời gian lặp lại quá trình cân mẫu.

Tiến hành tính toán theo (1.3), kết quả ghi nhận vào Bảng 1.2

Bảng 1 2 Độ ẩm vật liệu sấy biến thiên theo thời gian τ τ=0 τ=τ 1 τ=τ j

 Xây dựng đường cong sấy

Xử lý số liệu thực nghiệm ở Bảng biến thiên độ ẩm sấy theo thời gian, xác định đường cong sấy và mô phỏng trên đồ thị.

Phương trình đường cong sấy có dạng:

Phương trình (1.4) được biểu diễn trên đồ thị như sau:

Theo Nguyễn (2021), đường cong sấy theo lý thuyết được chai làm 3 giai đoạn:

Giai đoạn đầu tiên của quá trình sấy (A → B) tập trung vào việc cung cấp năng lượng để đốt nóng vật liệu ẩm, đưa nhiệt độ của nó lên đến nhiệt độ sấy cần thiết Ở giai đoạn này, quá trình khuếch tán ngoại diễn ra, giúp bay hơi nước trên bề mặt vật liệu ẩm và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khuếch tán nội xảy ra Đường cong sấy trong giai đoạn này tuân theo quy luật phi tuyến bậc 2, thể hiện sự phức tạp của quá trình sấy.

Giai đoạn 2 của quá trình sấy (B → C) là giai đoạn vật liệu ẩm được đốt nóng toàn bộ, cắt đứt liên kết giữa nước và vật liệu ẩm, thực hiện quá trình khuếch tán nội và bay hơi nước mạnh mẽ Tại giai đoạn này, đa phần lượng nước tự do trong vật liệu ẩm được tách ra, tạo nên đường cong sấy tuyến tính bậc nhất Do đó, giai đoạn từ (B) đến (C) được gọi là giai đoạn sấy đẳng tốc, nơi mà nước tự do gần như được tách hoàn toàn khỏi vật liệu ẩm.

Giai đoạn cuối của quá trình sấy (C → D) tập trung vào việc tách lượng nước tự do còn lại và loại bỏ nước liên kết cơ lý ở dạng hấp phụ, giúp đạt được độ ẩm cân bằng cho sản phẩm Giai đoạn này đòi hỏi thời gian thực hiện dài hơn so với các giai đoạn trước (τ1 < τ2 < τ3) Đường cong sấy trong giai đoạn này thường tuân theo quy luật phi tuyến bậc cao và phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu ẩm, chẳng hạn như xốp, keo hoặc keo xốp.

 Xây dựng đường cong tốc độ sấy

Từ phương trình (1.4) lấy đạo hàm hai vế, rồi nhân tử cho G và nhân mẫy cho F, ta được: u=−G dW

Trong đó: F(m2): diện tích trao đổi nhiệt của bề mặt sấy; Đường cong tốc độ sấy có dạng:

Hình 1 4 Đường cong tốc độ sấy u = f(W) Đường cong sấy được chia làm 3 giai đoạn nên đường cong tốc độ sấy cũng gồm 3 giai đoạn tương ứng (Nguyễn, 2021):

Giai đoạn 1 (A → B): Do đường cong sấy là phi tuyến bậc 2 nên đường cong tốc độ sấy là đường tuyến tính bậc 1.

Giai đoạn 2 (B→ C) là giai đoạn sấy với tốc độ không đổi, do đường cong sấy tuyến tính bậc nhất tạo nên đường cong tốc độ sấy là hàm hằng.

Giai đoạn 3 (C → D): Do đường cong sấy là phi tuyến bậc cao nên đường cong tốc độ sấy có

3 dạng đặc trưng cho 3 loại vật liệu (xốp, keo và keo xốp):

+ Đường (a): là đường khi sấy vật liệu ẩm dạng xốp;

+ Đường (b): là đường khi sấy vật liệu ẩm ở dạng keo;

+ Đường (c): là đường khi sấy vật liệu ẩm ở dạng keo – xốp.

Sau khi thu thập được số liệu thực nghiệm, bước tiếp theo là vẽ đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy để phân tích và so sánh với đường cong lý thuyết đã được thiết lập Quá trình này giúp xác định sự chênh lệch giữa kết quả thực tế và kết quả lý thuyết, từ đó nêu ra nguyên nhân dẫn đến sai số và đề xuất các biện pháp cải thiện quy trình sấy.

KẾT QUẢ VÀ BẢN LUẬN

Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy

Khối lượng trước khi sấy m o (g) 5.01 5.02 5

Khối lượng sau khi sấy m 1 (g) 1.98 2 1.97 Độ ẩm ban đầu (%) 60.48 60.16 60.6 Độ ẩm ban đầu trung bình (%) 60.41 ± 0.2277

Bảng 1 3 Độ ẩm ban đầu của mẫu khoai lang sau quá trình sấy

Nhận xét: Độ ẩm ban đầu của khoai lang trong bài thí nghiệm thấp hơn so với nghiên cứu.

Theo Rautenbach và cộng sự (2010), độ ẩm của khoai lang dao động trong khoảng 67.1% đến 77.9% tùy thuộc vào các giống khoai lang khác nhau.

Nguyên nhân có thể do:

Khoai lang mua ở cửa hàng thường có độ ẩm thấp hơn so với khoai lang mới thu hoạch Trong quá trình cắt tạo hình, nếu để mẫu ngoài không khí, một lượng ẩm sẽ bị bay hơi, làm giảm độ ẩm tự nhiên của khoai lang.

Kết quả sấy đối lưu

Mỗi lát khoai có kích thước 3 × 3 × 0.4 (cm) Từ đó diện tích trao đổi nhiệt của 37 lát khoai lang được tính:

1.3.2.2 Sự biến thiên hàm lượng ẩm theo thời gian của khoai lang trong quá trình sấy đối lưu

Quá trình sấy giúp loại bỏ ẩm trong khoai, dẫn đến giảm khối lượng của vật liệu sấy Kết quả phân tích về độ biến thiên ẩm theo thời gian sấy mẫu vật liệu khoai lang được thể hiện trên đồ thị đường cong sấy W=f(τ), cho thấy sự thay đổi ẩm trong quá trình sấy.

70 ĐƯỜNG CONG SẤY ĐỐI LƯU τ (phút)

Hình 1 5 Đường cong sấy W= f(τ) của quá trình sấy đối lưu

1.3.2.3 Giai đoạn 1 của quá trình sấy đối lưu

Là giai đoạn khi đó nguyên vật liệu ẩm sẽ được nhận nhiệt năng để đạt tới nhiệt độ sấy để làm bay hơi nước trên bề mặt.

Phương trình thực tế thu được là:

Giai đoạn 1 của quá trình sấy đối lưu được đặc trưng bởi đường cong sấy phi tuyến tính, với chiều hướng chúi cong xuống do độ ẩm sản phẩm giảm dần theo thời gian Tuy nhiên, trong thực nghiệm, quá trình này xảy ra khá nhanh, dẫn đến số liệu thu được không quá chính xác và không thể hiện rõ tính chất và sự thay đổi của vật liệu ẩm theo thời gian.

1.3.2.4 Giai đoạn 2 của quá trinh sấy đối lưu

Là quá trình bay hơi nước mạnh do quá trình khuếch tán nội và khuếch tán ngoại xảy ra đồng thời.

Phương trình thực tế thu được là:

Giai đoạn 2 của quá trình sấy đối lưu là giai đoạn mà độ ẩm bay hơi mạnh mẽ theo thời gian, tạo thành đường cong sấy có dạng tuyến tính Đây cũng là giai đoạn mà lượng nước tự do bị bay hơi gần như hoàn toàn, do đó còn được gọi là giai đoạn sấy đẳng tốc Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cho thấy đồ thị không hoàn toàn nằm trên một đường thẳng như lý thuyết, nhưng vẫn có ý nghĩa tính toán và có thể chấp nhận được với giá trị R2 ≥ 0.95.

Nguyên nhân ảnh hưởng đến kết quả thực nghiệm không chính xác này có thể kể đến do thao tác thực hành như:

- Quá trình sấy 10 phút lấy ra đo số liệu một lần dẫn đến lượng nhiệt trong buồng sấy không ổn định.

- Các mẫu có khả năng bị hút ẩm trở lại trong quá trình cân đo số liệu

- Thiết bị cân bị lệch dẫn tới sai số.

1.3.2.5 Giai đoạn 3 của quá trình sấy đối lưu

Là quá trình bốc hơi ẩm còn lại cho đến khi đạt tới độ ẩm cân bằng, quá trình này đường cong sấy ở dạng phi tuyến rất phức tạp.

Phương trình thực tế thi được là:

Giai đoạn 3 của quá trình sấy đối lưu là giai đoạn mất ẩm chậm, tiêu tốn nhiều thời gian và phụ thuộc vào loại vật liệu ẩm Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cho thấy có sự xuất hiện của các điểm nằm ngoài đường phi tuyến và thời gian của giai đoạn này gần như bằng với giai đoạn 2, kết thúc quá trình sấy khi vật liệu sấy đạt độ ẩm không đổi.

Một trong những nguyên nhân chính dẫn đến những sai lệch trên là do thao tác không đúng trong quá trình làm hoặc nhiệt độ trong buồng sấy không được giữ ổn định, dẫn đến thời gian sấy kéo dài hơn dự kiến và thông số kỹ thuật có thể bị sai lệch.

1.3.2.6 Đường cong tốc độ sấy của quá trình sấy đối lưu

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 ĐƯỜNG CONG TỐC ĐỘ SẤY

Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3

Hình 1 9 Đường cong tốc độ sấy u = f(W) của quá trình sấy đối lưu

Ở giai đoạn đầu, lý thuyết dự đoán rằng tốc độ thoát ẩm sẽ giảm dần tỷ lệ với độ ẩm giảm dần, tạo thành một đường thẳng tăng dần Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cho thấy đường cong tốc độ thoát ẩm không phải là một đường thẳng liền mạch mà bị gấp khúc Điều này thể hiện rằng ban đầu, tốc độ thoát ẩm giảm nhanh nhưng không đều và không tỷ lệ với sự giảm độ ẩm, đồng thời cũng phản ánh sự mất ẩm không đều của vật liệu sấy.

Quá trình sấy vật liệu thường trải qua ba giai đoạn chính Ở giai đoạn đầu, tốc độ sấy có thể bị ảnh hưởng bởi tính chất vật liệu sấy và diện tích tiếp xúc của mẫu cắt lát, dẫn đến mất ẩm bề mặt nhanh Sự chênh lệch thời gian giữa các lần cân mẫu và việc lấy mẫu ra mỗi 10 phút cân định lượng cũng có thể ảnh hưởng đến kết quả Tuy nhiên, ở giai đoạn hai, tốc độ sấy không đổi và ẩm giảm dần theo thời gian, tạo thành một đường thẳng hoàn toàn đúng với lý thuyết Nhưng khi chuyển sang giai đoạn ba, tốc độ bay hơi của ẩm giảm dần theo độ ẩm vật liệu đến không đổi, do ẩm tự do đã bay hơi hết và chỉ còn lại ẩm liên kết, đòi hỏi thời gian sấy nhiều hơn và năng lượng cung cấp lớn hơn.

Kết quả sấy hồng ngoại

Mỗi lát khoai có kích thước 3 × 3 × 0.4 (cm) Từ đó diện tích trao đổi nhiệt của 37 lát khoai lang được tính:

1.3.3.2 Sự biến thiên hàm lượng ẩm theo thời gian của khoai lang trong quá trình sấy hồng ngoại

Hình 1 10 Đường cong sấy W= F(τ) trong sấy hồng ngoại

1.3.3.4 Giai đoạn 1 của quá trình sấy hồng ngoại

Giai đoạn 1 của đường cong sấy hồng ngoại thể hiện sự phụ thuộc phi tuyến giữa độ ẩm và thời gian sấy, được mô tả bởi phương trình y=−0.0027x 2 −0.0963x+60.413 Trong giai đoạn này, vật liệu được đun nóng, hơi nước bề mặt bay hơi tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khuếch tán nội và ngoại diễn ra ở giai đoạn sau, đánh dấu sự khởi đầu của quá trình sấy hiệu quả.

1.3.3.5 Giai đoạn 2 của quá trình sấy hồng ngoại

Giai đoạn 2 của đường cong sấy hồng ngoại thể hiện mối quan hệ tuyến tính giữa các biến số Phương trình sấy thực tế được biểu diễn dưới dạng y=−0.507x+71.009 với hệ số xác định R 2 =0.9942, cho thấy phương trình này có ý nghĩa đáng kể trong tính toán Tuy nhiên, trên thực tế, các điểm dữ liệu không hoàn toàn nằm trên cùng một đường cong sấy, điều này có thể bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố khác nhau như thiết bị và các thao tác thí nghiệm.

1.3.3.6 Giai đoạn 3 của quá trình sấy hồng ngoại

Giai đoạn 3 của đường cong sấy hồng ngoại W=F(τ) thể hiện ở dạng phi tuyến Phương trình thực tế thu được là y=0.0013x^2 −0.4863x+50.68, phù hợp với lý thuyết và có hệ số xác định R^2 =0.9939, lớn hơn 0.95, cho thấy phương trình đường cong sấy có ý nghĩa trong tính toán và có thể chấp nhận được.

1.3.3.7 Đường cong tốc độ sấy của quá trình sấy hồng ngoại

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 ĐƯỜNG CONG TỐC ĐỘ SẤY

Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3

Hình 1 14 Đường cong tốc độ sấy u= f(W) trong sấy hồng ngoại

Giai đoạn 1 của quá trình sấy thường bắt đầu với tốc độ sấy tăng nhanh và đạt đến giá trị cực đại, sau đó giữ nguyên ở giai đoạn tiếp theo, tạo thành đường cong tốc độ sấy theo lý thuyết là đường tuyến tính bậc 1.

Giai đoạn 2 của quá trình sấy là giai đoạn mà tốc độ sấy được duy trì ổn định, trong khi độ ẩm trong vật liệu sấy giảm dần đều theo thời gian Điều này phù hợp với lý thuyết về đường đẳng tốc, thể hiện sự giảm độ ẩm một cách đồng đều và ổn định trong suốt giai đoạn này.

Giai đoạn 3: Tốc độ sấy giảm nhanh Đường biểu diễn tốc độ sấy thực tế không giống và phức tạp như lý thuyết.

Kết quả sấy lạnh

Mỗi lát khoai có kích thước 3 × 3 × 0.4 (cm) Từ đó diện tích trao đổi nhiệt của 28 lát khoai lang được tính:

1.3.4.1 Sự biến thiên hàm lượng ẩm theo thời gian của khoai lang trong quá trình sấy lạnh

6070 ĐƯỜNG CONG SẤY LẠNH τ (phút)

Hình 1 15 Đường cong sấy W = f(τ) của quá trình sấy lạnh

1.3.4.2 Giai đoạn 1 của quá trình sấy lạnh

Quá trình mất ẩm ở giai đoạn này không xảy ra do sự chênh lệch áp suất giữa hơi nước của không khí và áp suất hơi nước trên bề mặt khoai lớn Thay vào đó, ẩm bị mất nhanh do quá trình diễn ra trong khoảng thời gian khá dài.

1.3.4.2 Giai đoạn 2 của quá trình sấy lạnh

Đường cong sấy trong giai đoạn 2 của quá trình sấy lạnh thể hiện ở dạng tuyến tính, tương ứng với giai đoạn sấy đẳng tốc Trong giai đoạn này, hai quá trình khuếch tán nội và ngoại diễn ra đồng thời, kéo dài trong khoảng thời gian 380 phút và được thể hiện qua phương trình đồ thị tương ứng.

W = -0.0959τ + 62.166 với R² = 0.9977 thể hiện rằng phương trình đường cong sấy trong giai đoạn này có ý nghĩa và được chấp nhận.

1.3.4.3 Giai đoạn 3 của quá trình sấy lạnh

Hình 1 17 Đường cong sấy trong giai đoạn 3 của quá trình sấy lạnh

Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại trên vật liệu sấy diễn ra trong khoảng 120 phút, là quá trình đạt đến cân bằng ẩm ở dạng phi tuyến phức tạp Trong giai đoạn này, độ ẩm tương đối của tác nhân sấy có ảnh hưởng không đáng kể, và có thể xuất hiện các điểm nằm ngoài đường cong sấy do các yếu tố như hút ẩm ngược lại từ các thao tác thực hiện trong quá trình sấy.

Phương trinh sấy của giai đoạn này thu được là:

W = 0.0011τ 2 - 1.1072τ + 288.14 với R² = 0.989 là giá trị có ý nghĩa được chấp nhận để tính toán (0.989 > 0.95)

1.3.4.4 Đường cong tốc độ sấy của quá trình sấy lạnh

-0.1000 0.0000 0.1000 0.2000 0.3000 0.4000 0.5000 ĐƯỜNG CONG TỐC ĐỘ SẤY

Hình 1 18 Đường cong tốc độ sấy u = f(W) của quá trình sấy lạnh

Kết quả thực nghiệm cho thấy ở giai đoạn 1 không ghi nhận được kết quả đáng kể Tuy nhiên, ở giai đoạn 2, tốc độ sấy không đổi và độ ẩm giảm dần đều, phù hợp với lý thuyết với tốc độ sấy thực nghiệm thu được là 0,1533 kg/(m2h) Ở giai đoạn 3, ẩm còn lại trong vật liệu giảm đến khi đạt trạng thái cân bằng, nhưng kết quả thí nghiệm cho thấy nhiều điểm lệch xa đường cong tốc độ sấy lý thuyết Sự sai số này chủ yếu do quá trình sấy không liên tục, mẫu bị hút ẩm trở lại và bảo quản không đúng cách, dẫn đến biến đổi tính chất và trạng thái của vật liệu sấy.

Bàn luận

Hình 1 Các mẫu khoai lang sau quá trình sấy: sấy đối lưu ( bên trái), sấy lạnh ( ở giữa), sấy hồng ngoại ( bên phải)

Về màu sắc, sản phẩm sấy đối lưu thường có màu sẫm hơn so với các phương pháp sấy khác, trong khi sản phẩm sấy hồng ngoại lại có màu nhạt nhất Sự khác biệt này là do quá trình sấy đối lưu thường diễn ra ở nhiệt độ cao, dễ làm cho khoai lang bị oxi hóa và thay đổi màu sắc.

Về độ cứng của sản phẩm, sấy hồng ngoại tạo ra sản phẩm cứng nhất do độ ẩm cuối cùng khoảng 5.36%, thấp nhất trong các phương pháp sấy Ngược lại, sản phẩm sấy lạnh thường mềm và ít giòn hơn do quá trình sấy này giữ được độ ẩm cao hơn Điều này tạo nên sự khác biệt đáng kể về kết cấu sản phẩm giữa hai phương pháp sấy hồng ngoại và sấy lạnh.

Khi so sánh với các phương pháp sấy, sấy lạnh tạo nên sản phẩm có hình dáng ít thay đổi nhất.

Quá trình sấy lạnh giúp bảo toàn hàm lượng dinh dưỡng cao nhất của khoai lang, nhờ vào nhiệt độ sấy thấp hạn chế sự biến đổi thành phần, đồng thời giữ lại các vitamin và khoáng chất quý giá.

Kết quả cho thấy cả 3 phương pháp đều giữ được các đặc điểm cảm quan, màu mùi và hương vị đặc trưng của khoai lang Tuy nhiên, phương pháp sấy hồng ngoại nổi bật với khả năng đạt yêu cầu về độ ẩm khi bảo quản sản phẩm sấy, đồng thời có thời gian sấy ngắn nhất Điều này cho thấy, khoai lang sấy hồng ngoại là lựa chọn tối ưu nhất nhờ tiết kiệm thời gian, chi phí năng lượng và thuận lợi trong quá trình bảo quản, thương mại hóa sản phẩm.

1.3.5.2 Một số nguyên nhân dẫn đến sai số

Trong quá trình tiến hành thí nghiệm có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sai số nhưng có 1 vài nguyên nhân chính như sau:

- Thao tác tiến hành thí nghiệm không đúng làm sản phẩm bị hút ẩm lại sau khi sấy.

- Khoảng cách giữa các lần đo khối lượng không đều.

- Việc tắt/mở máy sấy khi lấy mẫu cân khối lượng làm hạ nhiệt độ tủ sấy.

- Sai số thiết bị cân.

- Kích thước các mẫu không đều.

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

-Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, các dụng cụ đo nhiệt độ và lưu lượng lưu chất;

-Thiết lập cân bằng nhiệt lượng;

-Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữ 2 dòng nóng lạnh, qua vách kim loại, ở các chế độ chảy khác nhau.

TỔNG QUAN

Khái niệm về thiết bị trao đổi nhiệt

Quá trình trao đổi nhiệt là quá trình trao đổi năng lượng dưới dạng nhiệt năng giữa hai môi chất có nhiệt độ khác nhau, diễn ra theo nhiều phương thức khác nhau Để thực hiện quá trình này, cần phải sử dụng các thiết bị trao đổi nhiệt, giúp truyền nhiệt hiệu quả giữa các môi chất Các thiết bị trao đổi nhiệt hiện nay rất đa dạng và phong phú, phục vụ cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau.

Trao đổi nhiệt trực tiếp xảy ra khi các lưu chất tiếp xúc trực tiếp với nhau, thường được áp dụng khi làm nguội chất lỏng mà không quan tâm đến nồng độ, độ pha loãng, độ tinh khiết Trong trường hợp này, việc cho nước đá vào là phổ biến Tuy nhiên, nếu chất lỏng cần được làm nguội mà không phản ứng với không khí, phương pháp hiệu quả là trải chất lỏng lên bề mặt diện tích lớn và cho không khí đối lưu trực tiếp Ngược lại, nếu chất lỏng có phản ứng với không khí, phương pháp trao đổi nhiệt gián tiếp là lựa chọn thay thế an toàn hơn.

Trao đổi nhiệt gián tiếp là quá trình trao đổi nhiệt xảy ra giữa hai dòng lưu chất nóng và lạnh thông qua bề mặt ngăn cách Trong đó, T1 đại diện cho nhiệt độ dòng lưu chất nóng và T2 đại diện cho nhiệt độ dòng lưu chất lạnh, với điều kiện T1 > T2 Quá trình này diễn ra khi nhiệt truyền từ dòng lưu chất nóng sang dòng lưu chất lạnh qua bề mặt ngăn cách, được gọi là diện tích trao đổi nhiệt.

Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt có thể được phân loại thành hai loại dựa trên quá trình trao đổi nhiệt, hoặc ba loại dựa trên tính chất trao đổi nhiệt, và cũng có thể được phân loại thành ba loại dựa trên chiều hướng của các dòng chảy của lưu chất.

 Căn cứ vào quá trình trao đổi nhiệt

 Thiết bị trao đổi nhiệt trực tiếp

Quá trình trao đổi trực tiếp là một phương pháp trao đổi nhiệt hiệu quả, trong đó hai dòng lưu chất tiếp xúc trực tiếp để trao đổi nhiệt và sau đó được tách ra Đây là phương pháp phổ biến trong các ứng dụng kết hợp truyền khối và truyền nhiệt, chẳng hạn như làm mát bay hơi và chỉnh lưu Sự thay đổi pha trong quá trình trao đổi trực tiếp thường đóng vai trò quan trọng trong tổng năng lượng truyền, đồng thời làm tăng tốc độ truyền nhiệt So với các thiết bị trao đổi nhiệt khác, thiết bị trao đổi nhiệt tiếp xúc trực tiếp có thể đạt được tốc độ truyền nhiệt cao, cấu tạo đơn giản và chi phí thấp, đồng thời không gặp phải vấn đề tắc nghẽn do không có bề mặt truyền nhiệt giữa hai chất lỏng Tuy nhiên, ứng dụng của phương pháp này chỉ giới hạn trong những trường hợp cho phép tiếp xúc trực tiếp của hai dòng lưu chất.

 Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp

Trong quá trình trao đổi nhiệt gián tiếp, các dòng lưu chất được giữ tách biệt và nhiệt được truyền liên tục qua vách ngăn không thấm nước hoặc vào và ra khỏi vách ngăn một cách nhất thời, giúp ngăn chặn sự tiếp xúc trực tiếp giữa các lưu chất tương tác nhiệt.

 Căn cứ vào tính chất trao đổi nhiệt

 Thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp

Thiết bị trao đổi nhiệt ngưng tụ trực tiếp là loại thiết bị mà trong đó hai chất, bao gồm chất gia công và môi chất hoặc hai chất tải nhiệt, tiếp xúc trực tiếp với nhau để tạo ra một hỗn hợp thông qua quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất.

 Thiết bị trao đổi nhiệt hồi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt dạng quay là loại thiết bị trao đổi nhiệt có mặt trao đổi nhiệt có thể quay được, cho phép thực hiện quá trình trao đổi nhiệt linh hoạt Khi tiếp xúc với chất lỏng 1, mặt trao đổi nhiệt sẽ nhận nhiệt, và khi tiếp xúc với chất lỏng 2, mặt trao đổi nhiệt sẽ tỏa nhiệt Tuy nhiên, quá trình trao đổi nhiệt của thiết bị này có thể không ổn định và có sự dao động nhiệt trong mặt trao đổi, đòi hỏi cần được giám sát và điều chỉnh thường xuyên.

 Thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt

Thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt là loại thiết bị cho phép truyền nhiệt từ chất tải nhiệt này sang chất tải nhiệt khác thông qua bề mặt phân cách Thiết bị này có thể được phân loại thành ba loại chính: truyền trực tiếp, lưu trữ và thiết bị trao đổi tầng sôi, giúp tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt hiệu quả.

 Căn cứ vào chiều hướng của các dòng chảy của lưu chất

 Thiết bị trao đổi nhiệt cùng chiều

Hình 2 1 Thiết bị trao đổi nhiệt cùng chiều hay xuôi dòng

 Thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều

Hình 2 2 Thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều hay ngược dòng

 Thiết bị trao đổi nhiệt chéo nhau

Hình 2 3 Thiết bị trao đổi nhiệt chéo nhau hay chéo dòng

Một số thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp

Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp nếu căn cứ vào cấu tạo của bề mặt truyền nhiệt thì có thể chia thành các loại sau:

Truyền nhiệt gián tiếp qua vỏ thiết bị là lựa chọn phổ biến cho việc đun nóng hoặc làm lạnh các thiết bị phản ứng không thể đặt ống xoắn bên trong Thiết bị vỏ bọc ngoài là giải pháp lý tưởng cho những trường hợp này, bao gồm vỏ thiết bị (1) gắn chắc chắn với vỏ bọc (2) và mặt bích (3) hoặc hàn bền, tạo thành khoảng trống kín giữa hai lớp vỏ Chất tải nhiệt sẽ được đưa vào khoảng trống này để thực hiện quá trình đun nóng hoặc làm nguội, đồng thời đảm bảo chiều cao của vỏ bọc không thấp hơn mực chất lỏng trong thiết bị.

Hình 2 4 Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài

1 - Thiết bị 2 - Vỏ bọc 3 - Mặt bích

 Cấu tạo đơn giản, dễ vận hành, chắc chắn

 Dễ bảo dưỡng sửa chữa và dễ làm sach bên trong

 Hệ số truyền nhiệt không cao

 Thiết bị cồng kềnh, khó chế tạo bằng vật liệu không nong và hàn được như gang hoặc thép silic

Loại ống là loại bề mặt truyền nhiệt có hình dạng ống, được phân loại dựa trên cấu tạo và tính chất làm việc.

Một trong những loại thiết bị trao đổi nhiệt đơn giản nhất là loại ống xoắn, bao gồm ống thẳng được nối với nhau bởi ống khuỷu, còn được gọi là xoắn gấp khúc Ngoài ra, còn có kiểu ống xoắn ruột gà với cấu tạo gồm các ống uốn theo hình ren ốc Trong quá trình hoạt động, thiết bị này cho phép một chất tải đi qua bên trong ống, đồng thời một chất tải nhiệt khác đi qua bên ngoài ống, giúp trao đổi nhiệt hiệu quả.

Hình 2 5 Thiết bị truyền nhiệt dạng ống xoắn

 Cấu tạo đơn giản có thể làm bằng vật liệu chống ăn mòn

 Dễ kiểm tra và sửa chữa.

 Hệ số màng cao hơn (tốc độ truyền nhiệt qua tường từ chất lỏng này sang chất lỏng khác).

 Việc sử dụng hiệu quả hơn độ giảm áp suất sẵn có dẫn đến các thiết kế kém hiệu quả và ít tốn kém hơn.

 Dòng ngược dòng thực sử dụng hoàn toàn LMTD có sẵn (chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit)

 Hệ số cấp nhiệt bên ngoài nhỏ dẫn đến hệ số truyền nhiệt nhỏ

 Khó làm sạch phía trong ống

 Trở lực thủy lực lớn hơn ống thẳng

Ống tưới là loại thiết bị chủ yếu dùng để làm lạnh và ngưng tụ, trong đó nước được phun bên ngoài Quá trình làm mát diễn ra khi nước chảy từ ống trên xuống ống dưới rồi chảy vào máng, đồng thời trao đổi nhiệt với chất tải nhiệt nóng Tuy nhiên, trong quá trình này, khoảng 1-2% nước sẽ bị bay hơi, dẫn đến lượng nước làm nguội ở thiết bị này sẽ ít hơn so với các thiết bị khác.

Hình 2 6 Thiết bị truyền nhiệt dạng ống tưới

1 - Bích nối và ống truyền nhiệt 2 - Khuỷu nối

3 - Máng tưới 4 - Máng chứa nước

 Lượng nước làm lạnh ít

 Cấu tạo đơn giản, dễ quan sát và làm sạch bên ngoài ống

 Dễ sửa chữa, thay thế

 Khi tưới trên bề mặt ống có thể lượng nước sẽ không tưới được đều

Thiết bị truyền nhiệt loại ống lồng ống là một hệ thống gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau, với mỗi đoạn bao gồm hai ống lồng vào nhau Trong đó, ống trong của mỗi đoạn được nối với ống trong của đoạn khác, còn ống ngoài của mỗi đoạn được nối thông với ống ngoài của đoạn khác Để đảm bảo dễ dàng thay thế và rửa ống, người ta thường sử dụng khuỷu và ống nối có mặt bích để kết nối các đoạn ống Cuối cùng, ống ngoài được hàn kín với ống trong bằng mối hàn chắc chắn.

Hình 2 7 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

1 - Ống trong 2 - Ống ngoài 3 - Khuỷu nối

 Hệ số truyền nhiệt lớn

 Khó làm sạch khoảng trống giữa hai ống

Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm được cấu tạo dựa trên nguyên tắc chung, trong đó chùm ống được lắp vào vi ống và bọc ngoài bằng vỏ hình trụ có hai đầu được đậy kín Thiết bị này bao gồm hai không gian riêng biệt: không gian giữa các ống và không gian trong ống, mỗi không gian có một lưu thể chuyển động riêng Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra khi lưu thể trong mỗi không gian truyền nhiệt qua các thành của các ống truyền nhiệt.

Hình 2 8 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

 Dải công suất trao đổi nhiệt lớn hơn bộ trao đổi nhiệt dạng ống xoắn

 Có thể sử dụng nước mát sẵn có từ tháp giải nhiệt

 Tiết kiệm điện so với hệ thống giải nhiệt gió do ko cần motor quạt

 Dễ tích hợp với hệ thống điều khiển

 Sử dụng nguồn lạnh đầu vào là nước chưa lọc, chưa qua xử lý sẽ sinh ra lắng cặn, han gỉ

Do đặc điểm kết cấu dạng ống chùm, thiết bị dễ bị bám cặn bẩn trên thành ống, gây khó khăn trong việc vệ sinh và làm sạch hoàn toàn Kết cấu phức tạp của thiết bị cũng làm tăng thêm khó khăn trong việc loại bỏ lắng cặn, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động.

 Công suất trao đổi nhiệt giảm nhanh khi lượng lắng cặn, han gỉ tăng

 Giá thành cao hơn bộ trao đổi nhiệt dạng tấm trong cùng dải công suất

Khung bản là loại thiết bị trao đổi nhiệt được tạo thành từ các tấm bản ghép vào các hộp rỗng nhiều ngăn, có bề mặt truyền nhiệt phẳng và các lỗ nối nhau tương ứng, cho phép các lưu chất di chuyển riêng biệt Để đảm bảo sự ngăn cách giữa hai lưu chất, các tấm đệm kín được sử dụng Ngoài ra, hệ thống còn được trang bị các thanh giằng có ốc vặn để ép chặt các tấm bản, đảm bảo hiệu suất trao đổi nhiệt cao.

Hình 2 9 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng khung bản

 Vận tốc trao đổi nhiệt lớn

 Không làm việc ở áp suất cao

Thiết bị này sở hữu bề mặt truyền nhiệt độc đáo được tạo thành từ những tấm kim loại cuốn theo dạng xoắn ốc Cụ thể, thiết bị bao gồm hai tấm kim loại (1) và (2) được thiết kế để tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt, trong đó đầu trong của hai tấm kim loại này được hàn chắc chắn vào tấm ngăn (3) để đảm bảo hiệu suất truyền nhiệt cao.

Các bộ phận (1) và (2) tạo thành các khe có tiết diện hình chữ nhật, nơi chất tải nhiệt sẽ lưu thông Thiết bị được thiết kế với hai đầu kín bằng nắp (4), đảm bảo quá trình truyền nhiệt diễn ra hiệu quả.

Hình 2 10 Thiết bị trao đổi nhiệt loại xoắn ốc

1,2 - Tấm kim loại 3 - Tấm ngăn

 Cấu tạo gọn, vận tốc lớn

 Hai chất tải nhiệt hoàn toàn chuyển động ngược nhau, trợ lực thủy nhỏ

 Chế tạo, sửa chữa phức tạp

 Không làm việc ở áp suất cao trên 6at

Thường có hai kiểu: Gân dọc (1) và gân ngang (2) Nếu là truyền nhiệt giữa hai chất khí (1,

2 đều nhỏ) sẽ là thiết bị truyền nhiệt hình kim, nghĩa là cấu tạo gân ở hai bên có dạng hình kim (3) (Nguyễn Tấn Dũng, 2015)

Hình 2 11 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống gân

1 - Gân dọc 2 - Gân ngang 3 - Gân hình kim

Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị dạng ống lồng ống là một ví dụ điển hình của sự truyền nhiệt phức tạp, trong đó diễn ra sự trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất được ngăn cách bởi vách ngăn kim loại Quá trình này bao gồm ba giai đoạn chính: truyền nhiệt đối lưu từ dòng nóng đến vách ngăn, dẫn nhiệt qua thành ống kim loại và đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh với thành ống, tạo nên một hệ thống truyền nhiệt phức tạp và đa dạng.

Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống là loại thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp đơn giản nhất, với cấu tạo gồm một ống đặt đồng tâm bên trong một ống khác có đường kính lớn hơn Thiết bị này cho phép hai dòng lưu chất chảy cùng chiều, ngược chiều hoặc chéo nhau, và có thể được bố trí theo nhiều chuỗi và bố trí song song khác nhau để đáp ứng các yêu cầu về giảm áp suất và chênh lệch nhiệt độ trung bình Ống bên trong có thể là ống đơn hoặc nhiều ống, và có thể được trang bị vây hướng trục để cải thiện hệ số truyền nhiệt Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống thường được sử dụng để sưởi ấm hoặc làm mát chất lỏng xử lý khi cần có diện tích truyền nhiệt nhỏ, đặc biệt là khi một hoặc cả hai chất lỏng ở áp suất cao Tuy nhiên, nhược điểm chính của thiết bị này là cồng kềnh và đắt tiền trên mỗi đơn vị bề mặt truyền.

Trong thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống, mặc dù có nhiều dạng khác nhau, nhưng đều có điểm chung là sở hữu hai dòng lưu chất, bao gồm dòng lưu chất nóng và dòng lưu chất lạnh, với nhiệt độ được truyền từ dòng lưu chất nóng sang dòng lưu chất lạnh, dẫn đến sự thay đổi nhiệt độ của dòng lưu chất so với ban đầu.

-Dòng lưu chất có nhiệt độ ban đầu lớn hơn sau quá trình hoạt động của thiết bị thì nhiệt độ của dòng lưu chất này sẽ giảm xuống.

-Dòng lưu chất lạnh ban đầu thì sau khi quá trình truyền nhiệt xảy ra thì nhiệt độ của dòng lưu chất này sẽ tăng lên.

Quá trình hoạt động của thiết bị ống lồng dựa trên nguyên tắc trao đổi nhiệt giữa hai dòng lưu chất có nhiệt độ chênh lệch Hai dòng lưu chất này được bơm vào thiết bị và trao đổi nhiệt qua thành kim loại giữa hai ống Quá trình trao đổi nhiệt này bao gồm hai quá trình chính: dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt, diễn ra theo trình tự: đối lưu nhiệt từ dòng nóng đến vách kim loại, dẫn nhiệt qua thành ống và cuối cùng là đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh và thành ống.

Hình 2 12 Sự biến thiên nhiệt độ của hai dòng lưu chất theo diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ống lồng ống

Thiết bị này bao gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau, với mỗi đoạn có hai ống lồng vào nhau Ống trong của mỗi đoạn được nối với ống trong của đoạn khác, trong khi ống ngoài của mỗi đoạn được nối thông với ống ngoài của đoạn khác thông qua khuỷu và ống nối có mặt bích để dễ dàng thay thế và rửa Chất tải nhiệt II di chuyển trong ống trong từ dưới lên, còn chất tải nhiệt I di chuyển trong ống ngoài từ trên xuống Khi năng suất lớn, nhiều dãy thiết bị có thể được đặt làm việc song song để tăng hiệu suất.

Hình 2 13 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Để hai loại ống có thể lồng vào nhau, chúng phải có sự chênh lệch về đường kính, trong đó ống nhỏ hơn nằm bên trong và ống lớn hơn nằm bên ngoài, chứa cả ống nhỏ Đường kính của các loại ống này thường không cố định và phụ thuộc vào khả năng truyền nhiệt cũng như yêu cầu cuối cùng của sản phẩm, do đó nhà nghiên cứu sẽ tính toán để đưa ra thiết bị tối ưu nhất cho sản phẩm của mình.

DỤNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

Dụng cụ và thiết bị

-Hệ thống thiết bị thí nghiệm;

-Nồi đun nước có các điện trở gia nhiệt;

-Bơm nước lên hệ thống ống;

-Dụng cụ đo nhiệt độ.

Hình 2 14 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trong phòng thí nghiệm: Xuôi dòng (bên trái) và ngược dòng (bên phải)

Phương pháp tiến hành thực nghiệm

Thiết bị thí nghiệm bao gồm hai bể chứa nước, một bể chứa nước ấm (nóng) và một bể chứa nước lạnh Nước trong cả hai bể được đổ ngập máy bơm để đảm bảo quá trình thí nghiệm diễn ra liên tục Nhiệt độ của lưu chất nóng được duy trì trong khoảng 38°C, trong khi nhiệt độ của lưu chất lạnh được giữ ở khoảng 18°C Trong quá trình thí nghiệm, lưu lượng của một dòng được cố định, còn lưu lượng dòng còn lại sẽ được thay đổi để ghi nhận sự biến thiên nhiệt độ Cụ thể, nhiệt độ của dòng nóng vào, dòng nóng ra, dòng lạnh vào và dòng lạnh ra sẽ được ghi nhận sau mỗi 20 giây Để đảm bảo tính chính xác, mỗi thí nghiệm sẽ được lặp lại 5 lần và thực hiện tương tự với thiết bị còn lại.

Phương pháp tính toán -Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống:

 L (m): Chiều dài ống trao đổi nhiệt

 d (m): Đường kính trung bình ống trao đổi nhiệt d=d 1+d 2

2 Trong đó: d1, d2 (m): Đường kính trong và đường kính ngoài ống trao đổi nhiệt -Vận tốc dòng lưu chất: v=G

 v (m/s): Vận tốc dòng lưu chất

 G (m 3 /s): Lưu lượng dòng lưu chất

 F (m 2 ): Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt -Phương trình cân bằng năng lượng:

 G1, G2 (kg/s): Lưu lượng dòng nóng và dòng lưu chất lạnh

 C1, C2 (J/(kg/K)): Nhiệt dung riêng trung bình của hai dòng nóng và dòng lạnh

 tv1, tr1 (C): Nhiệt độ vào và ra của dòng nóng

 tv2, tr2 (C): Nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh

 F (m 2 ): Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị

 K (W/(m 2 K)): Hệ số truyền nhiệt của thiết bị

 Δttb: Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit của hai dòng lưu chất nóng và lạnh-Nhiệt lượng tổn thất:

 Qs (W): Nhiệt lượng tổn thất của thiết bị

 Q1 (W): Nhiệt lượng trao đổi của dòng nóng

 Q2 (W): Nhiệt lượng trao đổi của dòng lạnh -Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit của hai dòng lưu chất:

-Hệ số truyền nhiệt của thiết bị:

-Hệ số truyền nhiệt cho vách ngăn nhiều lớp được tính theo công thức:

 α1, α2 (W/(m 2 K)): Hệ số cấp nhiệt ở 2 phía của vách ngăn

 r1, r2 (m2 K/W): Nhiệt trở của cặn bẩn ở 2 phía của vách ngăn

 δ λ i i (m 2 K/W): Nhiệt trở của vách ngăn thứ i

 δi (m): Bề dày vách ngăn thứ i

 λi (W/(m.K)): Hệ số dẫn nhiệt của vách ngăn thứ i

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Kết quả

 Nhiệt dung riêng của dòng lưu chất nóng và lạnh

Ta có nhiệt dung riêng của nước được tra ở Bảng I.149, trang 168, Sổ tay Quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất (Tập 1) (Nguyễn Bin và cộng sự, 2006).

Bảng 2 1 Nhiệt dung riêng của nước ở 1 at

Nhiệt dung riêng (kcal/(kg.K)) 1.006 0.999 0.998 Áp dụng phương trình hồi quy, ta tính được nhiệt dung riêng của nước ở 38 (C℃ 1) và 18℃ (C2):

Để tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống, chúng ta cần dựa vào các thông số kỹ thuật của ống trao đổi nhiệt, bao gồm đường kính trong (d1 = 0,051 m), đường kính ngoài (d2 = 0,089 m) và chiều dài (L = 0,8 m).

Kết quả thực nghiệm trong khảo sát với thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống xuôi dòng

 Cố định dòng nóng Bảng 2 2 Số liệu truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng cố định dòng nóng

Lưu lượng dòng nóng (m 3 /20s) Lưu lượng dòng lạnh

Bảng 2 3 Xử lý số liệu truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng cố định dòng nóng

Lưu lượng dòng nóng (kg/s) Lưu lượng dòng lạnh (kg/s) Nhiệt độ ( )℃ t v1 t r1 t v2 t r2

Bảng 2 4 Kết quả tính toán quá trình truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng cố định dòng nóng Đại lượng Dòng nóng Dòng lạnh

Vận tốc dòng lưu chất ʋ (m/s) υ 1.1 0.0000625 υ 2.1 0.0000170 υ 1.2 0.0000625 υ 2.2 0.0000227 υ 1.3 0.0000625 υ 2.3 0.0000341 υ 1.4 0.0000625 υ 2.4 0.0000369 υ 1.5 0.0000625 υ 2.5 0.0000455

Q s5 117.83 Độ chênh nhiệt độ trung bình Δt tb Δt tb1 0.5 Δt tb2 0.6 Δt tb3 0.9 Δt tb4 1.0 Δt tb5 0.4

 Cố định dòng lạnh Bảng 2 5 Số liệu truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng cố định dòng lạnh

Lưu lượng dòng nóng (m 3 /20s) Lưu lượng dòng lạnh (m 3 /20s)

Bảng 2 6 Xử lý số liệu truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng cố định dòng lạnh

Lưu lượng dòng nóng (kg/s) Lưu lượng dòng lạnh (kg/s) Nhiệt độ ( )℃ t v1 t r1 t v2 t r2

Bảng 2 7 Kết quả tính toán quá trình truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng cố định dòng lạnh Đại lượng Dòng nóng Dòng lạnh

Vận tốc dòng lưu chất ʋ (m/s) υ 1.1 0.0000568 υ 2.1 0.0000398 υ 1.2 0.0000341 υ 2.2 0.0000398 υ 1.3 0.0000199 υ 2.3 0.0000398 υ 1.4 0.0000175 υ 2.4 0.0000398 υ 1.5 0.0000057 υ 2.5 0.0000398

Q s5 52.69 Độ chênh nhiệt độ trung bình Δt tb Δt tb1 0.7 Δt tb2 0.8 Δt tb3 0.5 Δt tb4 1.5 Δt tb5 1.2

 Kết quả thực nghiệm trong khảo sát với thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống ngược dòng

 Cố định dòng nóng Bảng 2 8 Số liệu truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng cố định dòng nóng

Lưu lượng dòng nóng (m3/20s) Lưu lượng dòng lạnh (m3/20s) Nhiệt độ ( )℃ tv1 tr1 tv2 tr2

Bảng 2 9 Xử lý số liệu truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng cố định dòng nóng

Lưu lượng dòng nóng (kg/s) Lưu lượng dòng lạnh (kg/s) Nhiệt độ ( )℃ t v1 t r1 t v2 t r2

Bảng 2 10 Kết quả tính toán quá trình truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng cố định dòng nóng Đại lượng Dòng nóng Dòng lạnh

Vận tốc dòng lưu chất ʋ (m/s) υ 1.1 0.0000341 υ 2.1 0.0000199 υ 1.2 0.0000341 υ 2.2 0.0000313 υ 1.3 0.0000341 υ 2.3 0.0000426 υ 1.4 0.0000341 υ 2.4 0.0000568 υ 1.5 0.0000341 υ 2.5 0.0000653

Q s5 28.65 Độ chênh nhiệt độ trung bình Δt tb Δt tb1 0.4 Δt tb2 0.4 Δt tb3 1.2 Δt tb4 0.7 Δt tb5 0.4

 Cố định dòng lạnh Bảng 2 11 Số liệu truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng cố định dòng lạnh

Lưu lượng dòng nóng (m3/20s) Lưu lượng dòng lạnh (m3/20s) Nhiệt độ ( )℃ tv1 tr1 tv2 tr2

Bảng 2 12 Xử lý số liệu truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng cố định dòng lạnh

Lưu lượng dòng nóng (kg/s) Lưu lượng dòng lạnh (kg/s) Nhiệt độ ( )℃ t v1 t r1 t v2 t r2

Bảng 2 13 Kết quả tính toán quá trình truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng cố định dòng lạnh Đại lượng Dòng nóng Dòng lạnh

Vận tốc dòng lưu chất ʋ (m/s) υ 1.1 0.0000511 υ 2.1 0.0000653 υ 1.2 0.0000313 υ 2.2 0.0000653 υ 1.3 0.0000224 υ 2.3 0.0000653 υ 1.4 0.0000142 υ 2.4 0.0000653 υ 1.5 0.0000057 υ 2.5 0.0000653

Q s5 33.88 Độ chênh nhiệt độ trung bình Δt tb Δt tb1 0.8 Δt tb2 0.8 Δt tb3 1.2 Δt tb4 0.9 Δt tb5 0.9

Bàn luận

Sau khi tham gia bài học và thực hành thí nghiệm này, học sinh có thể tự tin vận hành thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống và nắm rõ cơ chế hoạt động của thiết bị Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện thí nghiệm, vẫn có thể xảy ra một số sai số trong quá trình vận hành máy và đo đạc, đòi hỏi sự chú ý và cải thiện kỹ năng thực hành.

-Đối với thiết bị ống lồng ống xuôi dòng ta thấy:

Hệ số truyền nhiệt thay đổi theo vận tốc dòng lưu chất, không phải là một giá trị cố định Trong thí nghiệm ống lồng ống xuôi dòng, khi dòng nóng được cố định, hệ số truyền nhiệt K2 tăng lên khi vận tốc dòng lạnh tăng Ngược lại, khi dòng lạnh được cố định, hệ số truyền nhiệt K2 giảm rồi lại tăng lên khi vận tốc dòng nóng giảm Điều này cho thấy hệ số truyền nhiệt phụ thuộc vào vận tốc của cả hai dòng lưu chất.

Khi vận tốc dòng lưu chất nóng giảm, nhiệt lượng tổn thất của thiết bị sẽ tăng theo Tuy nhiên, khi vận tốc dòng lưu chất lạnh tăng, nhiệt lượng tổn thất lại không ổn định và có thể tăng giảm thất thường Sự không ổn định này có thể ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị.

-Đối với thiết bị ống lồng ống ngược dòng ta thấy:

Hệ số truyền nhiệt không cố định và thay đổi theo vận tốc dòng lưu chất Trong thí nghiệm ống lồng ống ngược dòng, khi dòng nóng được cố định, hệ số truyền nhiệt K2 tăng khi vận tốc dòng lạnh tăng Tuy nhiên, khi dòng lạnh được cố định, hệ số truyền nhiệt K2 lại có xu hướng tăng và giảm không ổn định khi vận tốc dòng nóng giảm Điều này cho thấy mối quan hệ phức tạp giữa vận tốc dòng lưu chất và hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt.

Nhiệt lượng tổn thất trong thiết bị có thể thay đổi không ổn định khi vận tốc dòng lưu chất lạnh tăng, và cũng có sự biến động khi vận tốc dòng lưu chất nóng giảm, ban đầu tăng lên nhưng sau đó lại giảm xuống Điều này cho thấy rằng mối quan hệ giữa vận tốc dòng lưu chất và nhiệt lượng tổn thất không phải lúc nào cũng tuyến tính, đòi hỏi phải xem xét kỹ lưỡng để tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị.

 Nguyên nhân gây sai số:

-Do trong quá trình tiến hành thí nghiệm, việc duy trì nhiệt độ của 2 bể bằng nước sôi và đá không thể cho được nhiệt độ chính xác.

Một trong những nguyên nhân dẫn đến sai số trong quá trình tính toán là do đọc nhiệt độ căn không đúng thời điểm, bị lố thời gian, và ghi số liệu, xử lý số liệu không cẩn thận, dẫn đến kết quả tính toán không chính xác.

-Do các thao tác của người tiến hành chưa đạt đến độ chính xác cao và do thiết bị cảm biến gặp trục trặc vấn đề.

Các ống không được bọc lớp cách nhiệt dẫn đến tình trạng thất thoát nhiệt do quá trình trao đổi nhiệt giữa ống và môi trường bên ngoài Quãng đường ống càng dài, lượng nhiệt tổn thất càng nhiều Đặc biệt, đối với đường ống làm bằng đồng không được bọc cách nhiệt, sự tổn hao nhiệt ra môi trường xung quanh là khá đáng kể.

-Cặn bẩn trên đường ống cũng làm tổn hao nhiệt lượng.

-Kiểm tra vật dụng thí nghiệm kỹ càng trước khi tiến hành thí nghiệm, thao tác chính xác.-Thực hiện thí nghiệm cẩn thận.

-Đọc và ghi số liệu cẩn thận, chính xác.

-Tiến hành thí nghiệm lặp lại nhiều lần.

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LẠNH ĐÔNG

Khái niệm lạnh động

Điểm đóng băng là nhiệt độ mà tại đó nước trong thực phẩm bắt đầu chuyển pha từ thể lỏng sang thể rắn ở một áp suất nhất định Đây là điểm quan trọng trong việc bảo quản và chế biến thực phẩm, vì nó ảnh hưởng đến chất lượng và an toàn của sản phẩm Điểm đóng băng thường được xác định ở áp suất tiêu chuẩn và được sử dụng như một tham chiếu quan trọng trong công nghiệp thực phẩm.

Nước tinh khiết có điểm đóng băng ở 0°C, nhưng nước trong thực phẩm lại có điểm đóng băng thấp hơn do ở dạng dung dịch và liên kết Theo định luật Raoult, điểm đóng băng của nước trong thực phẩm phụ thuộc vào nồng độ dung dịch và thường nằm trong khoảng từ -2,5 đến 0,5°C Điểm đóng băng cụ thể có thể thay đổi tùy theo loại thực phẩm, chẳng hạn như cá biển (-1,5 đến -1,0°C), cá nước ngọt (-1,0 đến -0,5°C), tôm biển (-2,5 đến -2,0°C) và rau củ quả (-0,5 đến -1,0°C).

Cấp đông là quá trình bảo quản thực phẩm bằng cách giảm nhiệt độ của sản phẩm xuống dưới nhiệt độ mà nước trong sản phẩm kết tinh.

Quá trình lạnh đông sản phẩm là một phương pháp bảo quản thực phẩm hiệu quả, giúp hạ nhiệt độ xuống dưới điểm đông đặc, chuyển nước từ thể lỏng sang thể rắn, làm mất môi trường sống của vi sinh vật và ngưng quá trình sinh hóa Quá trình này giúp kéo dài thời gian sử dụng sản phẩm, phục vụ mục đích thương mại, xuất khẩu và tiêu dùng.

Quá trình cấp đông đóng vai trò quan trọng trong việc hạn chế hoạt động của vi sinh vật, đặc biệt là các loại vi sinh vật ưa lạnh, nhằm ngăn chặn sự hư hỏng thực phẩm và nâng cao chất lượng sản phẩm.

Các hiện tượng xảy ra trong quá trình lạnh đông

Quá trình cấp đông thực phẩm bắt đầu khi nhiệt độ xuống đến điểm kết tinh (Tkt), tại đó các mầm tinh thể hình thành bên trong và giữa các tế bào Khi nhiệt độ giảm, nước trên bề mặt và trong khoảng gian bào kết tinh trước, làm tăng nồng độ các chất tan và gây ra áp suất thẩm thấu, đẩy nước từ trong tế bào ra ngoài Tuy nhiên, quá trình này thường không xảy ra do tốc độ đông đặc lớn hơn tốc độ tăng nồng độ, khiến nước chưa kịp thoát ra ngoài thì đã đóng băng Sự đông đặc làm thay đổi nhiệt độ kết tinh do tăng nồng độ các chất tan, giảm nhiệt độ kết tinh theo định luật Raoult.

3.1.2.2 Sự mất nước của thực phẩm khi lạnh đông

Khi cấp đông thực phẩm, nước trên bề mặt sản phẩm sẽ bốc hơi vào môi trường lạnh do chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước và nhiệt độ, khiến bề mặt sản phẩm trở nên khô và tăng khả năng đóng băng bề mặt Để khắc phục, thường tạo môi trường cấp đông có độ ẩm cao hoặc đổ đầy nước vào khay đựng sản phẩm cấp đông Ngoài ra, sau khi cấp đông, nước sẽ di chuyển từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp do chênh lệch nồng độ, dẫn đến sự thay đổi cấu trúc và tính chất của các chất, khiến một phần nước không thể trở lại vị trí cũ trong quá trình tan băng Hiện tượng thăng hoa nước đá cũng xảy ra trong quá trình bảo quản, gây hao hụt khối lượng và giảm chất lượng sản phẩm do chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước và nhiệt độ giữa bề mặt sản phẩm và không khí trong kho cấp đông.

3.1.2.3 Hiện tượng cháy lạnh thực phẩm trong quá trình lạnh đông

Quá trình cấp đông thực phẩm có thể dẫn đến hiện tượng bốc hơi nước hoặc thăng hoa nước đá từ bề mặt sản phẩm, gây mất nước và khô bề mặt Khi nhiệt độ môi trường cấp đông dưới -50 °C, bề mặt khô của sản phẩm dễ bị oxy hóa, biến tính và không thể phục hồi sau khi rã đông, dẫn đến hiện tượng bỏng lạnh Hiện tượng này không chỉ làm giảm giá trị cảm quan của sản phẩm mà còn gây hao hụt khối lượng và giảm chất lượng sản phẩm.

3.1.2.4 Mạ băng sản phẩm sau đông lạnh

Quá trình mạ băng là một bước quan trọng trong công nghệ lạnh đông, giúp tạo lớp băng mỏng trên bề mặt sản phẩm đông lạnh, che phủ các chỗ bị đông cứng hoặc oxy hóa, hạn chế phản ứng oxy hóa và thăng hoa của tinh thể nước đá Việc mạ băng cũng giúp tăng giá trị cảm quan của sản phẩm và đảm bảo chất lượng trong quá trình bảo quản Tuy nhiên, tỉ lệ mạ băng cần được kiểm soát chặt chẽ, không quá 5% để đảm bảo sản phẩm đạt chất lượng tốt nhất khi đưa vào bảo quản.

Các phương pháp lạnh đông

Phương pháp lạnh đông được phân loại dựa trên tốc độ và tác nhân lạnh đông, bao gồm phương pháp lạnh đông chậm, phương pháp lạnh đông nhanh hoặc siêu nhanh, phương pháp lạnh đông trực tiếp và phương pháp lạnh đông gián tiếp Mỗi phương pháp này đều có những đặc điểm và ứng dụng riêng trong quá trình bảo quản thực phẩm Việc lựa chọn phương pháp lạnh đông phù hợp sẽ giúp giữ nguyên chất lượng và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.

3.1.3.1 Phương pháp lạnh đông chậm

Quá trình cấp đông chậm có thể gây ra những ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng sản phẩm Khi nhiệt độ môi trường giảm chậm và đạt -35°C đến -30°C trong khoảng thời gian 4-6 giờ, tốc độ giảm nhiệt độ đạt đến nhiệt độ kết tinh với bề dày của sản phẩm khoảng 0,2-0,5 cm/h, dẫn đến sự hình thành tinh thể băng lớn và làm rách màng tế bào Điều này không chỉ phá vỡ cấu trúc tế bào mà còn tạo ra các lỗ hổng trên màng tế bào, dễ thoát ẩm và làm giảm chất lượng sản phẩm khi rã đông Ngoài ra, quá trình thăng hoa của nước đá cũng có thể hút các chất dinh dưỡng vào dịch tế bào, làm giảm chất lượng sản phẩm Cấu trúc protein của sản phẩm cũng bị ảnh hưởng, dẫn đến protein bị biến tính và làm thay đổi một số tính chất sinh hóa quan trọng của sản phẩm.

Phương pháp đông lạnh chậm vẫn được ứng dụng trong việc bảo quản một số loại trái cây và rau củ để chế biến thành nước ép trái cây và rau quả cũng như sử dụng trong hỗn hợp thực phẩm dạng huyền phù Quá trình đông tinh thể trong lạnh đông chậm giúp phá hủy cấu trúc tế bào và cấu trúc keo, từ đó mang lại hiệu quả cao trong sản xuất nước rau quả Do đó, sử dụng phương pháp đông chậm mang lại hiệu quả khi cần giữ bán thành phẩm lâu, giúp tăng thời gian gia công và nâng cao chất lượng sản phẩm sau này.

3.1.3.2 Phương pháp lạnh đông nhanh hoặc siêu nhanh (cực nhanh)

Quá trình cấp đông nhanh là phương pháp đông lạnh sản phẩm ở nhiệt độ thấp (-45°C hoặc -50°C) trong thời gian ngắn (5-10 phút) Tốc độ cấp đông nhanh khoảng 1,5-3,0 cm/h và siêu nhanh khoảng 3,0-5,0 cm/h giúp hình thành các tinh thể nước đá nhỏ và vô định hình, không phá vỡ tế bào và cấu trúc protein của sản phẩm Điều này giúp giữ nguyên đặc tính sinh hóa của sản phẩm và ổn định cấu trúc của nó Tuy nhiên, cấp đông nhanh cũng cần được nghiên cứu để tìm ra chế độ công nghệ tối ưu nhằm tránh hiện tượng cháy lạnh và giảm chất lượng sản phẩm.

Thực phẩm tươi đông lạnh có chất lượng tốt nhất do giữ được cấu trúc và liên kết nước với nguyên liệu ổn định Ngược lại, thực phẩm kém chất lượng thường có liên kết nước yếu, tỷ lệ nước tự do cao, độ đàn hồi giảm và cấu trúc liên kết tế bào dễ bị phá vỡ khi đông lạnh Khi băng tan, cấu trúc dinh dưỡng của thực phẩm kém chất lượng sẽ bị phá vỡ và mất đi độ đàn hồi, ảnh hưởng đến chất lượng và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm.

3.1.3.3 Phương pháp lạnh đông gián tiếp

Quá trình cấp đông thường sử dụng tác nhân không khí lạnh đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức để giảm nhiệt độ môi trường cấp đông từ -40 xuống -45 độ C và làm đông sản phẩm Phương pháp lạnh đông chậm có thể sử dụng không khí đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức, và cũng có thể kết hợp với hỗn hợp nước muối hoặc các chất làm mát thân thiện với môi trường, thực phẩm và con người.

3.1.3.4 Phương pháp lạnh đông trực tiếp

Tủ đông tiếp xúc là phương pháp làm lạnh phổ biến, trong đó sản phẩm được đặt trên các khay và đặt giữa các máy lắc đông lạnh, nơi dòng môi chất lạnh có nhiệt độ bay hơi từ -45°C đến -50°C Phương pháp này chủ yếu dựa trên dẫn truyền nhiệt, giúp làm lạnh với tốc độ tương đối nhanh Một phương pháp làm đông trực tiếp khác là sử dụng môi chất lạnh Nitơ lỏng, có nhiệt độ bay hơi cực thấp -196°C, cho phép làm đông cực nhanh chỉ trong 5-10 phút Tuy nhiên, giá thành cao của phương pháp này khiến nó thường được sử dụng cho các sản phẩm chất lượng cao, có giá trị kinh tế cao.

Cơ sở lý thuyết của quá trình lạnh đông

Quá trình lạnh đông trải qua các giai đoạn như sau:

Hình 3 1 Quá trình lạnh đông thực phẩm

AB: làm lạnh; BC: quá lạnh; CD: kết tinh ẩm; DE: lạnh đông sâu; ABCDE là đường lạh đông lý thuyết; ABCD’E là đường lạnh đông thực tế

Giai đoạn 1 của quá trình làm lạnh thực phẩm bao gồm hai giai đoạn chính: giai đoạn làm lạnh (AB) và giai đoạn quá lạnh (BC) Trong giai đoạn làm lạnh (AB), nhiệt độ thực phẩm giảm từ nhiệt độ ban đầu 25 độ C xuống nhiệt độ TB dưới điểm kết tinh 0 độ C, nhưng ẩm trong thực phẩm vẫn chưa kết tinh Tiếp theo, giai đoạn quá lạnh (BC) xảy ra hiện tượng chậm trễ chuyển pha của ẩm từ trạng thái lỏng sang trạng thái rắn, sau đó nhiệt độ thực phẩm tăng lên điểm kết tinh 0 độ C, tại đó ẩm trong thực phẩm bắt đầu kết tinh, được gọi là hiện tượng quá lạnh.

Giai đoạn 2: kết tinh là giai đoạn quan trọng trong quá trình lạnh đông thực phẩm Khi nhiệt độ kết tinh được coi là không đổi (Tkt const), quá trình kết tinh sẽ diễn biến theo đường CD trong môi trường lạnh đông có nhiệt độ âm sâu (T∞ ≪ Tkt) Tuy nhiên, trên thực tế, quá trình kết tinh ẩm bên trong thực phẩm diễn biến theo đường CD’ do các lớp ẩm bên ngoài kết tinh trước, sau đó là các lớp bên trong, dẫn đến nồng độ ẩm tăng và nhiệt độ kết tinh giảm theo đường CD’.

Kết thúc giai đoạn lạnh đông, ẩm kết tinh hoàn toàn (đối với phương pháp sấy thăng hoa) hoặc đạt mức tối thiểu là 86% (đối với phương pháp bảo quản) Lúc này, nhiệt độ của thực phẩm được gọi là nhiệt độ lạnh đông thích hợp, đảm bảo thực phẩm được bảo quản an toàn và hiệu quả.

Giai đoạn 3 là giai đoạn cân bằng nhiệt, nơi nhiệt độ thực phẩm được giảm từ nhiệt độ lạnh đông thích hợp xuống nhiệt độ cuối cùng Te (0 độ C) Đây là giai đoạn quan trọng trong quá trình lạnh đông, được thực hiện trong kho bảo quản lạnh đông với nhiệt độ được duy trì nhỏ hơn Te Trong giai đoạn này, nguyên liệu thực phẩm trải qua các biến đổi quan trọng, ảnh hưởng đến chất lượng và an toàn thực phẩm sau khi lạnh đông.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lạnh đông

Kích thước và hình dạng của nguyên liệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình cấp đông và truyền nhiệt Diện tích truyền nhiệt lớn hơn giúp quá trình truyền nhiệt diễn ra nhanh hơn, do đó kích thước vật liệu càng nhỏ thì thời gian cần thiết để đạt đến giá trị nhiệt độ mong muốn càng ngắn Ngoài ra, hình dạng đối xứng của vật liệu cũng giúp tăng mức độ đồng đều nhiệt trong vật liệu, đảm bảo nhiệt độ được phân bố đều và hiệu quả.

Độ ẩm có ảnh hưởng đáng kể đến quá trình cấp đông sản phẩm, bao gồm cả độ giãn nở, thời gian hoàn thành và năng lượng cần thiết Khi điều kiện nhiệt độ không đổi, hàm lượng ẩm càng cao thì thời gian cấp đông sẽ càng lâu hơn Đồng thời, độ ẩm cao cũng dẫn đến việc tiêu hao nhiều năng lượng hơn trên mỗi đơn vị sản phẩm để hoàn tất quá trình cấp đông.

Tính chất nhiệt của vật liệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình cấp đông, khi nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt quyết định năng lượng đầu vào và tốc độ đông đặc Nhiệt dung riêng cao hơn dẫn đến tiêu hao năng lượng nhiều hơn, trong khi vật liệu dẫn nhiệt tốt hơn giúp quá trình đông đặc nhanh hơn và đạt độ đồng đều cao hơn Cả nhiệt dung riêng và độ dẫn nhiệt của vật liệu đều phụ thuộc vào thành phần hóa học và cấu trúc của vật liệu, và điều này cũng cần được xem xét kỹ lưỡng đối với bao bì của một số thực phẩm đóng gói.

3.1.6.2 Các thông số công nghệ

Nhiệt độ cấp đông đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định tốc độ cấp đông của sản phẩm Cụ thể, nhiệt độ cấp đông càng thấp thì quá trình cấp đông càng diễn ra nhanh chóng Tuy nhiên, điều này cũng đồng nghĩa với việc chi phí đầu tư thiết bị và chi phí vận hành sẽ tăng lên Do đó, việc lựa chọn nhiệt độ cấp đông phù hợp cần được xem xét kỹ lưỡng dựa trên từng loại nguyên liệu và phương pháp cấp đông cụ thể.

Quá trình đông đặc của nguyên liệu phụ thuộc đáng kể vào điều kiện nhiệt đối lưu, đặc biệt là sự truyền nhiệt đối lưu giữa bề mặt nguyên liệu và môi chất làm lạnh Hệ số truyền nhiệt đối lưu đóng vai trò quan trọng trong quá trình này, và nó phụ thuộc vào loại môi trường cũng như điều kiện quá trình lạnh đông Khi hệ số truyền nhiệt đối lưu càng lớn, quá trình đông đặc diễn ra càng nhanh chóng và hiệu quả.

Thời gian thực hiện quá trình cấp đông phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm tính chất của nguyên liệu, nhiệt độ thực hiện và phương pháp cấp đông Để đảm bảo hiệu quả, cần tính toán thời gian hoàn thành quá trình đông lạnh một cách chính xác Tuy nhiên, quá trình đông lạnh thường phức tạp và đòi hỏi sự tính toán kỹ lưỡng để đạt được kết quả như mong muốn.

 Sự đa dạng về kích thước, hình dạng, cấu trúc và thành phần hóa học của thực phẩm

 điểm đông đặc và tốc độ hình thành các tinh thể nước đá ở những nơi khác nhau ở các nguyên liệu thực phẩm thường khác nhau

 Khi nhiệt độ của nguyên liệu thay đổi thì khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, khả năng tỏa nhiệt của nguyên liệu đều thay đổi.

NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

Dụng cụ, thiết bị và nguyên liệu thực nghiệm

Tủ lạnh (dùng cho thí nghiệm lạnh đông chậm).

Tủ lạnh (dùng cho thí nghiệm lạnh đông nhanh).

Thiết bị cảm biến nhiệt.

Hình 3 4 Thiết bị cảm biến nhiệt

Nguyên liệu: khoai lang được mua ở Bách hóa xanh.

Phương pháp thực hiện

Hình 3 6 Quy trình tiến hình thí nghiệm

3.2.2.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

- Bước 1: Mẫu khoai lang đã được rửa sạch gọt vỏ và cắt theo hình lập phương với kích thước 3cm × 3cm × 3cm.

Gắn cảm biến nhiệt Xác định kích thước

Ghi nhận trên cảm biến

Lạnh đông nhanh Lạnh đông chậm

Hình 3 7 Mẫu khoai lang hình khối lập phương

Bước 2: Gắn thiết bị cảm biến nhiệt vào hai vị trí của mẫu khoai lang, bao gồm một cảm biến nhiệt ở mặt ngoài và một cảm biến nhiệt phía trong lõi, để ghi nhận nhiệt độ chính xác tại thời điểm này.

Hình 3 8 Gắn thiết bị cảm biến nhiệt vào hai vị trí của mẫu khoai lang

Bước 3 là giai đoạn quan trọng trong quá trình lạnh đông mẫu khoai lang Quá trình này bao gồm lạnh đông chậm và lạnh đông nhanh, giúp xác định sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian lạnh đông Để đảm bảo độ chính xác, cần theo dõi và ghi số liệu mỗi 2 phút/lần trong khoảng 3 giờ.

Các biến đổi nguyên liệu trong quá trình lạnh đông:

Biến đổi vật lý xảy ra khi hạ nhiệt độ xuống dưới điểm kết tinh (Tkt) làm thay đổi trạng thái pha của ẩm từ thể lỏng sang thể rắn, ảnh hưởng đến tính chất lưu biến của thực phẩm như độ dẻo, độ giòn và độ cứng Đồng thời, quá trình này cũng làm thay đổi tính chất lý nhiệt của thực phẩm, bao gồm tỷ trọng, nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt, từ đó ảnh hưởng đến các quá trình truyền nhiệt trong cấp đông, bảo quản và sấy thăng hoa.

Khi ẩm kết tinh tách ra khỏi dung dịch nội bào hoặc liên kết với cấu trúc hữu cơ của tế bào, thực phẩm, nó sẽ làm thay đổi cấu trúc protein, enzyme và tế bào, dẫn đến ngưng trệ các phản ứng sinh hóa và ảnh hưởng đến khả năng hút nước và giữ nước của sản phẩm Sự thay đổi này phụ thuộc đáng kể vào sự hình thành và kích thước của các tinh thể đá trong sản phẩm, gây ra những biến đổi đáng kể về chất lượng và tính ổn định của sản phẩm.

 Biến đổi vi sinh vật

Công nghệ cấp đông giúp bảo quản thực phẩm hiệu quả bằng cách tạo điều kiện không thích hợp cho vi sinh vật phát triển Khi độ ẩm trong tôm sú kết tinh trên 86%, không gian sống của vi sinh vật bị mất đi, và khi nước tăng thể tích lên khoảng 5-10% khi kết tinh, cấu trúc của vi sinh vật bị phá vỡ và chúng bị giết chết Ngoài ra, nhiệt độ thấp ức chế hoạt động của các enzym, làm giảm hoạt động sống của tế bào và chậm lại quá trình biến đổi dẫn đến hư hỏng Khi nhiệt độ giảm xuống dưới -22°C, hầu hết các vi sinh vật đều chết và ngừng hoạt động, do đó nhiệt độ bảo quản thực tế là (-22 ÷ -16) °C hoặc thấp hơn sẽ dẫn đến vô hiệu hóa hoàn toàn hầu hết các vi sinh vật và nấm mốc.

Bước 4 là giai đoạn xử lý số liệu thu nhận được, trong đó các vật liệu sau khi dừng quá trình lạnh đông sẽ được để ở nhiệt độ phòng để rã đông Sau quá trình rã đông, các biến đổi về màu sắc, kích thước và các yếu tố khác (nếu có) sẽ được ghi nhận và phân tích để đánh giá ảnh hưởng của quá trình lạnh đông đến các vật liệu.

3.2.2.3 Các phương pháp phân tích

3.2.2.3.1 Xác định nhiệt độ của củ khoai lang

Nhiệt độ của củ khoai lang trong quá trình lạnh đông được xác định bằng nhiệt độ trung bình của hai vị trí chính, bao gồm phần lõi và phần bề mặt củ khoai lang Cụ thể, nhiệt độ trung bình (Ttb) được tính toán dựa trên nhiệt độ phần lõi (T1) và nhiệt độ phần bề mặt (T2) của củ khoai lang.

T 2 ( ) là nhiệt độ ở bề mặt; ℃

T tb ( ) là nhiệt độ trung bình của vật liệu.℃

3.2.2.3.1 Xác định sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian lạnh đông

Theo dõi và ghi số liệu nhiệt độ trong vòng 2 phút/lần đến khi nhiệt độ đạt - 22 đối với℃ lạnh đông chậm và -32 đối với lạnh đông nhanh ℃

Sau khi thu thập số liệu, chúng sẽ được sử dụng để vẽ đồ thị biểu diễn sự biến thiên nhiệt độ theo thời gian và đồ thị động học của quá trình lạnh đông bằng phần mềm Microsoft Excel 2013, giúp trực quan hóa và phân tích dữ liệu một cách chính xác và hiệu quả.

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Độ biến thiên nhiệt độ theo thời gian của sản phẩm trong quá trình lạnh đông chậm

Hình 3 9 Đồ thị biểu diễn độ biến thiên nhiệt độ theo thời gian trong quá trình lạnh đông chậm

Hình 3 10 Đồ thị động học của quá trình lạnh đông chậm

Quá trình lạnh đông chậm là một quá trình phức tạp bao gồm ba giai đoạn chính Đồ thị động học của quá trình này cho thấy sự phân chia rõ ràng thành giai đoạn làm lạnh, giai đoạn kết tinh và giai đoạn cân bằng nhiệt Trong giai đoạn làm lạnh, nhiệt độ của sản phẩm giảm dần Tiếp theo, giai đoạn kết tinh diễn ra khi nước trong sản phẩm bắt đầu chuyển đổi thành băng Cuối cùng, giai đoạn cân bằng nhiệt là giai đoạn mà nhiệt độ của sản phẩm đạt đến mức ổn định.

Giai đoạn 1, còn được gọi là giai đoạn làm lạnh, là giai đoạn đầu tiên trong quá trình biến đổi nhiệt độ của mẫu khoai lang Giai đoạn này kéo dài trong 20 phút đầu tiên, với mục đích làm giảm nhiệt độ của mẫu từ nhiệt độ ban đầu là 22.8 độ xuống nhiệt độ thấp hơn.

Giai đoạn quá lạnh trong mẫu ẩm vẫn chưa được kết tinh, diễn ra trong thời gian rất ngắn, khiến việc ghi nhận nhiệt độ mỗi 2 phút không đủ để biểu diễn giai đoạn này trên đồ thị Do đó, kết quả thực tế có sự khác biệt so với đồ thị lý thuyết.

Giai đoạn kết tinh diễn ra từ phút 18 đến phút 44, trong đó nhiệt độ giảm dần từ -3.3 độ C xuống -8.9 độ C Sự giảm nhiệt độ chậm này là do các tinh thể đá hình thành với kích thước lớn và phát triển từ ngoài vào trong, dẫn đến các lớp ẩm bên ngoài kết tinh trước, sau đó là các lớp bên trong Quá trình này làm tăng nồng độ của các lớp ẩm, khiến nhiệt độ kết tinh giảm và thời gian kết tinh lâu hơn Kết thúc giai đoạn này, ẩm kết tinh hoàn toàn.

Giai đoạn 3 của quá trình lạnh đông chậm là giai đoạn cân bằng nhiệt, diễn ra từ phút 44 đến phút 90 Trong giai đoạn này, nhiệt độ giảm từ -8.9 ℃ xuống -22.7 ℃ trong khoảng thời gian 46 phút Tổng thời gian thực hiện lạnh đông mẫu khoai lang là 90 phút, với nhiệt độ điểm cuối đạt -22.7 ℃.

Độ biến thiên nhiệt độ theo thời gian của sản phẩm trong quá trình lạnh đông nhanh

Hình 3 11 Đồ thị biểu diễn độ biến thiên nhiệt độ theo thời gian trong quá trình lạnh đông nhanh

Hình 3 12 Đồ thị động học của quá trình lạnh đông nhanh

Quá trình lạnh đông nhanh diễn ra qua ba giai đoạn chính, bao gồm giai đoạn làm lạnh, giai đoạn kết tinh và giai đoạn cân bằng nhiệt, như được thể hiện rõ ràng trên đồ thị động học của quá trình này.

Giai đoạn 1 của quá trình lạnh đông nhanh là giai đoạn làm lạnh, diễn ra từ 0 phút đến 14 phút Trong giai đoạn này, nhiệt độ của mẫu khoai lang giảm từ 18,8 độ C xuống -7,9 độ C, nhưng độ ẩm trong mẫu vẫn chưa được kết tinh Giai đoạn quá lạnh cũng diễn ra trong thời gian rất ngắn, không thể biểu diễn rõ ràng trên đồ thị, dẫn đến sự khác biệt so với đồ thị lý thuyết.

Giai đoạn kết tinh là giai đoạn quan trọng thứ hai trong quá trình lạnh đông nhanh, diễn ra từ phút 16 đến phút 30 Trong giai đoạn này, nhiệt độ giảm từ -7,9 độ C xuống -9,5 độ C Quá trình kết tinh diễn ra nhanh hơn so với quá trình lạnh đông chậm, với nhiệt độ hạ xuống tới -9,5 độ C, trong khi quá trình lạnh đông chậm chỉ đạt tới -8,9 độ C Kết thúc giai đoạn này, ẩm kết tinh hoàn toàn.

Giai đoạn 3 của quá trình lạnh đông nhanh là giai đoạn cân bằng nhiệt, diễn ra từ phút 32 đến phút 70 Trong giai đoạn này, nhiệt độ giảm từ -9.5 xuống -32.35 độ C Đặc biệt, giai đoạn cân bằng nhiệt của quá trình lạnh đông nhanh chỉ diễn ra trong 38 phút, ngắn hơn so với quá trình lạnh đông chậm là 46 phút Tổng thời gian thực hiện lạnh đông mẫu khoai lang bằng phương pháp lạnh đông nhanh là 70 phút, với nhiệt độ điểm cuối đạt -32.35 độ C.

Đánh giá cảm quan mẫu khoai lang sau quá trình lạnh đông

Hình 3 13 Mẫu khoai lang sau khi lạnh đông chậm (bên trái) và sau khi lạnh đông nhanh (bên phải)

Hình 3 14 Mẫu khoai lang trong quá trình rã đông sau khi lạnh đông chậm (bên trái) và sau khi lạnh đông nhanh (bên phải)

Bảng 3 1 Đánh giá cảm quan mẫu khoai lang sau quá trình lạnh đông chậm và lạnh đông nhanh

Chỉ tiêu Lạnh đông chậm Lạnh đông nhanh

Màu sắc Khoai lang có màu sậm Khoai có màu sáng hơn

Cấu trúc Khoai lang bị chảy nước và mềm

Khoai ít chảy nước vẫn giữ được độ cứng

Bàn luận

Kết quả thí nghiệm không khớp với lý thuyết do một số nguyên nhân Thứ nhất, máy cảm biến nhiệt ở bề mặt bị hư hỏng, dẫn đến việc không thể thu thập nhiệt độ bề mặt trong thí nghiệm lạnh đông chậm Ngoài ra, quá trình xử lý mẫu cũng có thể gây ra sai số, bao gồm sai lệch thời gian đọc nhiệt và sai số trong quá trình đọc nhiệt độ Sự không đồng đều của các cạnh của hình lặp phương cũng là một nguyên nhân, do quá trình cắt tay trong chuẩn bị mẫu Trong quá trình thí nghiệm, sự thất thoát nhiệt khi đo đạc cũng có thể xảy ra do quá trình canh thời gian không chuẩn và bỏ mẫu vào thiết bị không đồng đều Cuối cùng, thông số trên thiết bị cảm biến nhiệt liên tục thay đổi có thể dẫn đến sai lệch về thời gian khi đọc nhiệt độ.

Phương pháp cấp đông nhanh có thời gian cấp đông ngắn hơn so với phương pháp cấp đông chậm do hạ nhiệt độ nhanh hơn, giúp tiết kiệm thời gian Điều này cũng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, khi các mẫu đông lạnh nhanh giữ nguyên trạng thái như các mẫu tươi về màu sắc và cấu trúc, trong khi các mẫu đông lạnh chậm thay đổi đáng kể Nguyên nhân là do thời gian cấp đông lâu, dẫn đến hình thành các tinh thể đá lớn trong gian bào và khoang nội bào, gây ra lực ma sát và làm vỡ màng tế bào, phá hủy cấu trúc mô của sản phẩm Kết quả là chất lượng sản phẩm bị giảm do dịch bào chảy ra ngoài khi rã đông.

Ngày đăng: 30/12/2023, 05:09

TÀI LIỆU CÙNG NGƯỜI DÙNG

TÀI LIỆU LIÊN QUAN

w