Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển giám sát nhiệt độ, độ ẩm của máy sấy kiểu bơm nhiệt

Việt Nam là một nước có khí hậu nóng ẩm, vì thế máy sấy lạnh là công nghệ đặc biệt phù hợp với các loại nông sản, thực phẩm, đảm bảo được chất lượng cũng như hàm lượng dinh dưỡng, màu s

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ VĂN THỌ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN - GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM

CỦA MÁY SẤY KIỂU BƠM NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LÊ VĂN THỌ

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN - GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM

CỦA MÁY SẤY KIỂU BƠM NHIỆT

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này, tôi xin chân thành cảm ơn đến

thầy PGS TS Vũ Ngọc Kiên đã hướng dẫn và giúp đỡ tận tình từ định hướng và

đến hoàn thiện luận văn

Cũng qua đây, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và kính trọng đến các thầy giáo

trong khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp – ĐH Thái Nguyên

đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập và hoàn thiện luận văn Tôi cũng xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các học viên lớp cao học Kỹ thuật điện K24 và

nơi tôi công tác Trường Cao đẳng Kinh tế - Kỹ thuật luôn quan tâm, tạo điều

kiện giúp đỡ tôi trong công việc và thời gian để hoàn thành quá trình học tập và luận văn này

Tuy nhiên, với nhiều khó khăn do vấn đề thời gian, kinh nghiệm và năng lực bản thân còn nhiều hạn chế nên nội dung luận văn không tránh khỏi sai sót Tôi rất mong nhận được sự góp ý vô cùng quý báu của các Thầy, cô để luận văn được hoàn thiện hơn

Tác giả luận văn

Lê Văn Thọ

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là

những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Vũ Ngọc Kiên, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước

đã được xuất bản Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác

Tác giả

Lê Văn Thọ

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN i

LỜI CAM ĐOAN ii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT v

DANH MỤC BẢNG BIỂU viii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Tính cấp thiết của đề tài luận văn 2

3 Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu 4

4 Mục tiêu của luận văn 4

5 Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận văn 5

6 Bố cục của luận văn 5

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY SẤY NÔNG SẢN KIỂU BƠM NHIỆT 7

1.1 Khảo sát về công nghệ sấy kiểu bơm nhiệt 7

1.2 Giới thiệu các phương pháp sấy lạnh 10

1.3 Sơ đồ nguyên lý, đặc điểm truyền nhiệt và truyền chất của hệ thống sấy lạnh11 1.3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy lạnh 11

1.3.2 Đặc điểm truyền nhiệt và truyền chất của hệ thống sấy lạnh 12

1.4 Các thiết bị trong hệ thống sấy lạnh 14

1.5 Vật liệu sấy lạnh và lựa chọn vật liệu sấy lạnh 17

1.6 Ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng sản phẩm 24

1.6.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy 25

1.6.2 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến hàm ẩm của vật sấy giữa giai đoạn sấy 26

1.6.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng của đối tượng sấy 27

1.7 Kết luận chương 1 31

Chương 2: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN – GIÁM SÁT NHIỆT ĐỘ, ĐỘ ẨM CỦA MÁY SẤY LẠNH NÔNG SẢN KIỂU BƠM NHIỆT 33

2.1 Cấu trúc máy sấy lạnh nông sản kiểu bơm nhiệt 33

2.2 Xây dựng hệ thống điều khiển- giám sát nhiệt độ độ ẩm của máy sấy lạnh nông sản kiểu bơm nhiệt 35

2.2.1 Cấu trúc – sơ đồ nối dây của hệ thống điều khiển 37

2.2.2.1 Lắp đặt cảm biến 39 2.2.2.2 Lắp đặt Máy nén – các đường ống – dàn ngưng tụ – dàn bay hơi- đèn

2.2.2.3 Lắp đặt phần điều khiển và màn HMI 42

2.2.3 Lập trình điều khiển 43

2.3 Xây dựng mô hình tính toán công suất lấy ẩm của các vật liệu 45

2.3.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ ẩm 45

2.3.1.1 Độ ẩm tuyệt đối 45

2.3.1.2 Nhiệt độ 45

2.3.1.3 Entanpi 46

2.3.1.4 Đồ thị I-d và trạng thái không khí ẩm 47

2.3.2 Xây dựng mô hình tính toán công suất lấy ẩm của vật liệu 49

2.3.2.1 Mục đích tính toán nhiệt 49

2.3.2.2 Xác định lượng ẩm bốc hơi 49

2.3.2.3 Tính toán quá trình sấy lý thuyết 50

2.4 Kết luận chương 2 53

Chương 3 THỰC NGHIỆM MÁY SẤY NÔNG SẢN KIỂU BƠM NHIỆT 54

3.1 Vận hành, thực nghiệm máy sấy 54

3.1.1 Quy trình sấy dẻo nông sản 54

3.1.1.1 Sơ chế nguyên liệu 54

3.1.1.2 Quy trình sấy dẻo nông sản 55

3.1.2 Vận hành thiết bị 56

a, Thực hiện sấy giai đoạn 1 56

b, Thực hiện sấy giai đoạn 2 58

3.2 Đánh giá hiệu quả và hiệu chỉnh hệ thống 60

3.2.1 Đánh giá hiệu quả 60

3.2.1.1 Kiểm tra độ ẩm vật liệu 60

3.2.1.2 Xây dựng mối liên hệ giữa các đại lượng 61

3.2.2 Hiệu chỉnh hệ thống 62

3.3 Kết luận chương 3 65

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

* Kết luận 66

* Hướng nghiên cứu tiếp theo của luận văn và kiến nghị 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt 7

Hình 1 2 Chu trình hệ thống sấy lạnh kiểu bơm nhiệt 11

Hình 1 3 Sơ đồ hệ thống lạnh máy sấy lạnh kiểu bơm nhiệt 12

Hình 1 4 Máy sấy lạnh kiểu bơm nhiệt thực tế 14

Hình 1 5 Khay sấy thực tế 14

Hình 1 6 Máy nén máy sấy lạnh kiểu bơm nhiệt 15

Hình 1 7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đên tác nhân sấy 25

Hình 1 8 Ảnh hưởng nhiệt độ của tốc độ sấy 26

Hình 1 9 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến tác nhân sấy 27

Hình 2 1 Sơ đồ tổng thể hệ thống sấy lạnh 33

Hình 2 2 Máy sấy lạnh kiểu bơm nhiệt thực tế 34

Hình 2 3 Sơ đổ hệ thống sấy lạnh 34

Hình 2 4 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển máy sấy lạnh 37

Hình 2 5 Sơ đồ nối dây hệ thống động lực 37

Hình 2 6 Sơ đồ nối dây hệ thống cảm biến và rơ le với PLC 38

Hình 2 7 Sơ đồ nối dây DO/DQ của PLC 38

Hình 2 21 Giao diện hiển thị thông tin máy sấy và chu trình sấy 45

Hình 2 22 Đồ thị I-d không khí ẩm 47

Hình 2 23 Sơ đồ nguyên lý quá trình sấy kín 50

Hình 2 24 Biểu diễn quá trình sấy kín lý thuyết trên đồ thi I-d 51

Hình 2 25 Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy kín dùng bơm nhiệt thải nhiệt bằng thiết bị làm mát bổ sung; 51

Hình 2 26 Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy kín thải nhiệt bằng dan nóng phụ 52

Hình 3 1 Khối lượng vật liệu đầu vào……… 56

Hình 3 2 Vật liệu sắp xếp trên khay sấy 57

Hình 3 3 Thông số cài đặt giai đoạn 1 57

Hình 3 4 Khởi động thực hiện sấy giai đoạn 1 57

Hình 3 5 Kết thúc chu trình sấy giai đoạn 1 58

Hình 3 6 Khối lượng sản phẩm kết thúc sấy giai đoạn 1 58

Hình 3 7 Vật liệu sắp xếp trên khay sấy 58

Hình 3 8 Khởi động thực hiện sấy giai đoạn 2 59

Hình 3 9 Màu sắc, sản phẩm kết thúc giai đoạn 2 59

Hình 3 10 Mẫu vật tiến hành xác định độ ẩm kết thúc giai đoạn 1, giai đoạn 2 60

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 1 Các đặc trong liên quan đến chất lượng nông sản sấy 27 Bảng 2 1 Vật tư, thiết bị trong máy sấy lạnh kiểu bơm nhiệt 35 Bảng 3 1 Thống kê thông số kỹ thuật của đầu vào vật liệu, giai đoạn 1 và giai đoạn 2 60

MỞ ĐẦU 1 Lý do chọn đề tài

Việt Nam là một nước nhiệt đới có nhiều điều kiện để phát triển ngành trồng trọt và chế biến nông sản Tuy nhiên, tỷ lệ tổn thất sau thu hoạch là rất lớn 25-30% Nguyên nhân chính là do công nghệ chế biến và bảo quản của chúng ta còn lạc hậu nên đã làm cho nông sản của Việt Nam có giá trị thấp trong thị trường trong nước cũng như xuất khẩu, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của người nông dân, vì vậy việc nghiên cứu đưa ra các quy trình công nghệ cũng như ứng dụng triển khai chuyển giao các kết quả nghiên cứu, các quy trình công nghệ bảo quản, chế biến nông sản, đóng vai trò hết sức quan trọng trong chiến lược phát triển ngành nông, lâm nghiệp

Nông sản hiện nay chủ yếu được sử dụng ở dạng tươi, như đã biết nông sản là loại sản phẩm có tính thời vụ, thời gian thu hoạch ngắn, khả năng vận chuyển và bảo quản hạn chế, trong khi kỹ thuật bảo quản nông sản tươi vẫn chỉ dựa vào các kinh nghiện cổ truyền, mang tính thủ công chấp vá Công nghệ sấy ứng dụng trong chế biến nông sản khô được tiến hành từ khá lâu nhưng cho đến nay vẫn bộc lộ nhiều hạn chế về công nghệ chưa khắc phục được chất lượng đầu ra của sản phẩm, chưa đáp ứng được các yêu cầu về đặc tính hóa lý, mùi, màu, thành phần dinh dưỡng nên khó đáp ứng cho nhu cầu tiêu thụ và xuất khẩu trong và ngoài nước Việc đầu tư nghiên cứu một quy trình công nghệ mới giải quyết những vấn đề này là thực sự cần thiết Công nghệ sấy lạnh được xem là một công nghệ mới, ra đời từ yêu cầu cấp thiết đó

Ưu điểm của công nghệ sấy lạnh có thể xây dựng được từng quy trình công nghệ sấy hợp lý đối với từng loại rau, củ, quả Sau khi sấy, nông sản, thực phẩm giữ được nguyên màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dưỡng thất thoát không đáng kể, đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm của Việt Nam và các chỉ tiêu kỹ thuật, chất lượng sản phẩm tương đương một số nước khác trên thế giới Việt Nam là một nước có khí hậu nóng ẩm, vì thế máy sấy lạnh là công nghệ đặc biệt phù hợp với các loại nông sản, thực phẩm, đảm bảo được chất lượng cũng như hàm lượng dinh dưỡng, màu s ắc, mùi vị cho sản phẩm Đối với các sản phẩm như củ cà rốt, thì là, hành hay các loại kẹo chocolate, kẹo Caramen, Jelly Môi trường chế biến những sản phẩm

này yêu cầu về nhiệt độ không được quá cao và độ ẩm phải nhỏ hơn 45 -50% Tính mới của công nghệ này là quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độ thấp, tạo môi trường nhiệt độ cùng chiều với môi trường độ ẩm để tăng cường độ sấy Ngoài ra, công nghệ này có nhiều ưu điểm kỹ thuật khác như: hút ẩm nhưng không làm tăng nhiệt độ môi trường như máy hút ẩm thông thường, sấy khô được các sản phẩm không cho phép làm khô trong môi trường nhiệt độ cao

Từ những đặc tính ưu việt của công nghệ sấy lạnh ta nhân thấy rằng công nghệ này có nhiều ưu điểm và hiệu quả kinh tế cao trong việc ứng dụng vào sấy các sản phẩm nông sản có giá trị kinh tế Tuy nhiên, từ lý thuyết đến thực tiễn là một quá trình làm việc lâu dài đòi hỏi quá trình đầu tư nghiên cứu tỉ mỉ Công nghệ sấy lạnh có thể giải quyết hạn chế của công nghệ sấy khác trong các quy trình sấy nông sản Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ sấy lạnh đối với các loại sản phẩm rau củ khác nhau cần phải nghiên cứu độc lập, từ đó xây dựng những quy trình công nghệ chuẩn cho các loại hoặc các dạng nông sản Từ yêu cầu thực tế đó, cần thiết phải tính toán thiết kế một mô hình thực tế và kiểm tra thực nghiệm đối với các quy trình Để có một công nghệ hoàn chỉnh, tối ưu với các thông số phù hợp nhất đòi hỏi chúng ta phải tiến hành nghiên cứu sâu rộng hơn

Từ những vấn đề thực tế trên, do đó quyết định lựa chọn đề tà luận văn

Nghiên cứu xây dựng hệ thống điều khiển - giám sát nhiệt độ, độ ẩm của máy sấy kiểu bơm nhiệt ”làm đề tài nghiên cứu luận văn thạc sĩ kỹ thuật Mục tiêu tập

trung nghiên cứu xây dựng máy sấy lạnh với một hệ thống điều khiển- giám sát sử

dụng thiết bị điều khiển công nghiệp và sẽ thực nghiệm trên máy sấy để có thể xây dựng được các quy trình sấy hoàn chỉnh và phù hợp với một số loại nông sản

2 Tính cấp thiết của đề tài luận văn

Sấy lạnh bơm nhiệt là quá trình sấy tiến hành ở áp suất khí quyển, tác nhân sấy là không khí được đưa vào thiết bị bay hơi của hệ thống lạnh bơm nhiệt để hạ nhiệt độ xuống điểm đông sương Hơi nước trong không khí bị ngưng tụ tách ra làm cho không khí có độ chứa hơi giảm về 0, áp suất riêng phần hơi nước trong không khí giảm về 0 (nhưng không thể bằng 0) và được dẫn qua thiết bị ngưng tụ của hệ thống lạnh bơm nhiệt, sau đó được đốt nóng, nhiệt độ không khí tăng lên đến nhiệt độ

ngưng tụ của môi chất lạnh ở thiết bị ngưng tụ Sau đó, chúng được dẫn vào buồng sấy chứa sản phẩm như Hình 2.1

Hình 2.1 Chu trình hệ thống sấy lạnh kiểu bơm nhiệt

Dưới sự chênh lệch ấp suất riêng của hơi nước trên bề mặt sản phẩm với áp suất riêng của hơi nước trong không khí (tác nhân sấy), hơi nước ở sản phẩm tự bốc hơi và làm khô sản phẩm Do nhiệt độ môi trường sấy thấp, nên chất lượng sản phẩm ít bị ảnh hưởng so với ban đầu, đảm bảo giá trị kinh tế cao cho nguyên liệu Cấu tạo của một máy sấy lạnh gồm một máy bơm nhiệt được lắp đặt gọn gàng, tạo ra hướng cấp nhiệt và thoát ẩm phù hợp nhất nhằm đảm bảo vật sấy khô đều

Có thể thực hiện quá trình sấy trong khoảng nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy rộng, có thể thực hiện quá trình sấy ở nhiệt độ thấp hơn các phương pháp sấy truyền thống và có hiệu quả sử dụng năng lượng cao Đồng thời, hệ thống sấy có hỗ trợ bơm nhiệt là một hệ thống kín, nên khả năng giữ mùi tốt, giúp hạn chế tổn các thành phần tạo mùi của nguyên liệu, điều rất khó thực hiện trong các phương pháp sấy truyền thống khác Điều này góp phần làm nâng cao chất lượng của sản phẩm sau khi sấy

Vì vậy, phương pháp sấy có hỗ trợ bơm nhiệt đang rất được quan tâm đầu tư thiết kế và chế tạo cho các công ty chế biến nông sản và áp dụng cho rất nhiều sản phẩm như: Trái cây, rau củ, hải sản (mực, cá, các loại sò v.v .), gia vị (hành, ngò v.v ), hạt sen v.v Sấy thảo dược: sấy các loại sâm,sấy hạt hồi, sấy nấm linh chi, sấy cam thảo, sấy chùm ngây, sấy đinh lăng, sấy cỏ ngọt, sấy gừng nghệ, sấy trinh nữ

hoàng cung, sấy thịt gấc v.v .; Sấy nông sản: sấy cà phê, sấy tiêu, sấy củ cải, sấy thuốc lá, sấy các loại nấm ăn, sấy chè xanh, sấy khổ qua, sấy ớt, sấy hạt hướng dương, sấy hạt dưa v.v .; Sấy trái cây: sấy nhãn, sấy xoài dẻo, sấy chuối dẻo, sấy táo, sấy mận, sấy mít dẻo, sấy khoai lang dẻo, sấy nho, sấy thanh long dẻo v.v ; Sấy thực phẩm: sấy hủ tiếu, sấy bánh phở, sấy bánh tráng, sấy bún khô, sấy cơm cháy, sấy bột sắn dây, sấy lạp xưởng, sấy bò khô v.v ; Sấy thủy sản: sấy cá khô, sấy mực, sấy tôm, tép, sấy mắm ruốc, sấy khô cá lóc, sấy khô cá tra phồng, sấy khô cá dứa, sấy khô cá chạch, v.v

Tuy nhiên, phương pháp sấy có hỗ trợ của bơm nhiệt cũng tồn tại một số nhược điểm là chi phí đầu tư cao, quá trình vận hành và bảo trì phức tạp và hiện vẫn còn sử dụng một số chất tải lạnh không thân thiện với môi trường như R22 Do giới hạn của nhiệt độ tác nhân lạnh tại bộ phận ngưng tụ của hệ thống bơm nhiệt (theo chu trình Carnot), nên trong nhiều trường hợp, không thể gia nhiệt tác nhân sấy bằng lên cao hơn nhiệt độ giới hạn này Do đó, hệ thống gia nhiệt hỗ trợ cần được lắp đặt thêm Một trong những giải pháp hiệu quả là sử dụng tích hợp phương pháp sấy lạnh bơm nhiệt kết hợp sấy điện trở

3 Phạm vi, đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu: Hệ thống máy sấy kiểu bơm nhiệt có sử dụng các thiết

bị cảm biến, thiết bị điều khiển, giám sát công nghiệp nhằm đáp ứng yêu cầu sấy lạnh nông sản

Đối tượng nghiên cứu:

+ Hệ thống sấy kiểu bơm nhiệt; + Các loại cảm biến nhiệt độ, độ ẩm; + Các bộ điều khiển khả trình

Phương pháp nghiên cứu:

+ Nghiên cứu lý thuyết: Tìm hiểu các máy sấy kiểu bơm nhiệt, các phương pháp điều khiển - giám sát trong công nghiệp qua sách, bài báo, luận văn, luận án,

+ Nghiên cứu thực nghiệm: Thực nghiệm điều khiển - giám sát trên máy sấy kiểu bơm nhiệt

4 Mục tiêu của luận văn

Giải quyết được bài toán điều khiển – giám sát cho máy sấy kiểu bơm nhiệt đáp ứng tốt yêu cầu sấy lạnh nông sản, cụ thể là

+ Tìm hiểu cấu trúc, nghiên cứu, phân tích hệ thống điều khiển – giám sát trên máy sấy lạnh kiểu bơm nhiệt

+ Thực nghiệm điều khiển – giám sát máy sấy kiểu bơm nhiệt, từ đó xác định được công suất lấy ẩm thực tế, xây dựng mối liên hệ giữa thời gian sấy và công suất lấy ẩm phục vụ cho việc xây dựng quy trình, hướng dẫn sấy lạnh nông sản

5 Những đóng góp mới về lý luận và thực tiễn của luận văn Luận văn đã thực hiện đƣợc các nội dung sau:

- Trình bày khái quát phương pháp sấy lạnh kiểu bơm nhiệt, đặc điểm truyền chất và truyền nhiệt ứng dụng trong sấy lạnh

- Nghiên cứu cấu tạo chi tiết các thành phần trong máy sấy lạnh, đặc điểm của vật liệu sấy Phân tích ảnh hưởng của nhiệt độ đến quá trình sấy nông sản

- Nghiên cứu hệ thống điều khiển – giám sát nhiệt độ, độ ẩm trong buống sấy của máy sấy

- Đề xuất mô hình, xây dựng phương án tính toán công suất lấy ẩm của vật liệu

- Thực nghiệp sấy và kiểm tra độ ẩm với vật liệu cụ thể Từ đó chứng minh và giải quyết bài toán xây dựng mô hình tính công suất lấy ẩm của vật liệu

6 Bố cục của luận văn

Luận văn gồm phần mở đầu, 3 chương chính, phần kết luận và tài liệu tham khảo Bố cục được trình bày như sau:

Phần mở đầu: Nêu lý do chọn đề tài, tính cấp thiết và hướng nghiên cứu

chính

Chương 1:Tổng quan về máy sấy nông sản kiểu bơm nhiệt

1.1 Khảo sát về công nghệ sấy kiểu bơm nhiệt 1.2 Giới thiệu các phương pháp sấy lạnh

1.3 Sơ đồ nguyên lý, đặc điểm truyền nhiệt và truyền chất của hệ thống sấy lạnh

1.4 Các thiết bị trong hệ thống sấy lạnh

1.5 Vật liệu sấy lạnh và lựa chọn vật liệu sấy lạnh

1.6 Ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng sản phẩm 1.7 Kết luận chương 1

Chương 2: Nghiên cứu hệ thống điều khiển – giám sát nhiệt độ, độ ẩm của máy sấy lạnh nông sản kiểu bơm nhiệt

2.1 Cấu trúc máy sấy lạnh nông sản kiểu bơm nhiệt

2.2 Nghiên cứu hệ thống điều khiển- giám sát nhiệt độ độ ẩm của máy sấy lạnh nông sản kiểu bơm nhiệt

2.3 Xây dựng mô hình tính toán công suất lấy ẩm của các vật liệu 2.4 Kết luận chương 2

Chương 3: Thực nghiệm máy sấy nông sản kiểu bơm nhiệt

3.1 Vận hành, thực nghiệm máy sấy

3.2 Đánh giá hiệu quả và hiệu chỉnh hệ thống 3.3 Kết luận chương 3

Phần kết luận và kiến nghị: Tóm tắt các kết quả đạt được, tồn tại và hướng

phát triển tiếp theo của đề tài

Chương 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY SẤY NÔNG SẢN KIỂU BƠM NHIỆT 1.1 Khảo sát về công nghệ sấy kiểu bơm nhiệt

Máy sấy bơm nhiệt là một thiết bị hoạt động theo nguyên lý nhiệt động lực học nhằm mục đích vận chuyển một nhiệt lượng từ môi trường này sang môi trường khác Một máy bơm nhiệt thông thường chỉ cho phép nhiệt lượng di chuyển theo một chiều cố định (từ nóng” sang lạnh” hoặc ngược lại), ví dụ như lò sưởi, tủ lạnh, điều hòa, v.v Loại máy bơm nhiệt cho phép điều chỉnh và lựa chọn chiều di chuyển của nhiệt lượng được gọi là máy bơm nhiệt thuận nghịch

Bơm nhiệt có quá trình phát triển lâu dài, bắt đầu từ khi Nicholas Carnot đề xuất những khái niệm đầu tiên Một dòng nhiệt thông thường di chuyển từ một vùng nóng đến một vùng lạnh, Carnot đưa ra lập luận rằng một thiết bị có thể được sử dụng để đảo ngược quá trình đó là bơm nhiệt Đầu những năm 1850, Lord Kelvin đã phát triển các lý thuyết về bơm nhiệt bằng lập luận, các thiết bị làm lạnh có thể được sử dụng để gia nhiệt Sản phẩm bơm nhiệt đầu tiên được bán vào năm 1952 Từ khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cỡ cho các ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị trường Bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa không khí, sấy, hút ẩm, đun nước v.v

Hình 1 1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt

Hiện nay, có 3 phương pháp sấy đang được sử dụng rộng rãi trong việc sấy nông sản bao gồm:

- Sấy nóng: Phương pháp này sử dụng không khí (tác nhân sấy) nóng để sấy

nông sản thông qua việc bốc hơi nước ở nhiệt độ cao thường từ C đến C Ưu điểm của phương pháp là chi phí đầu tư thấp, chi phí vận hành, bảo trì bảo dưỡng thấp.Nhược điểm lớn nhất của phương pháp là vì sấy ở nhiệt độ lớn hơn C sẽ làm ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm, dễ làm cho nguyên liệu bị chín và gây nên sự tạo màng cứng ở lớp bề ngoài cản trở tới sự chuyển động của ẩm từ bên trong ra bên ngoài bề mặt vật liêu sấy, ví dụ: nhiệt độ sản phẩm trong quá trình sấy cao hơn C thì protein bị biến tính, nếu trên C thì fructaza bắt đầu caramen hóa Các phản ứng tạo ra melanoidin và polyme cao phân tử có chứa N và không chứa N dẫn tới vật liệu sấy có màu và mùi thơm của đồ chín, ngoài ra một số vitamin sẽ bị phân hủy Dòng nhiệt có hướng chuyển dịch từ ngoài bề mặt vật liệu sấu vào tâm, ngược hướng với chiều chuyển dịch của ẩm từ tâm vật liệu sấy ra ngoài, điều này làm giảm cường độ sấy Nếu nhiệt độ cao hơn nữa thì nguyên liệu có thể bị cháy làm mất giá trị dinh dưỡng và mất giá trị cảm quan của sản phẩm Trong hệ thống sấy nóng có hai cách để tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường: Giảm phân áp suất của hơi nước trong tác nhân sấy bằng cách đốt nóng và Tăng phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy Tóm lại, nhờ đốt nóng cả tác nhân sấy và vật liệu sấy hoặc chỉ đốt nóng vật liệu sấy mà hiệu số giữa phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật Phb và phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy Ph tăng lên dẫn đến quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường Do đó, hệ thống sấy nóng thường được phân loại theo phương pháp cung cấp nhiệt:

+ Hệ thống sấy đối lưu: Vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể nóng mà thông thường là không khí nóng hoặc khói lò Hệ thống sấy đối lưu gồm: hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động v.v

+ Hệ thống sấy tiếp xúc: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng Như vậy trong hệ thống sấy tiếp xúc, người ta tạo ra độ chênh lệch áp suất nhờ tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy Hệ thống sấy tiếp xúc gồm: hệ thống sấy lô, hệ thống sấy tang v.v

+ Hệ thống sấy bức xạ: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để dẫn ẩm dịch chuyển từ lòng vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường Ở đây người ta

tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường bằng cách đốt nóng vật

+ Hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường: Khi vật liệu sấy đặt trong môi trường điện từ thì trong vật xuất hiện các dòng điện và chính dòng điện này sẽ đốt nóng vật.Ưu điểm của phương pháp sấy nóng: Thời gian sấy bằng các phương pháp sấy nóng ngắn hơn so với phương pháp sấy lạnh; Năng suất cao và chi phí ban đầu thấp; Nguồn năng lượng sử dụng cho phương pháp sấy nóng có thể là khói thải, hơi nước nóng, hay các nguồn nhiệt từ dầu mỏ, than đá, rác thải, cho đến điện năng; Thời gian làm việc của hệ thống cũng rất cao.Nhược điểm của phương pháp sấy nóng: Chỉ sấy được các vật sấy không cần có các yêu cầu đặc biệt về nhiệt độ; Sản phẩm sấy thường hay bị biến màu và chất lượng không cao - Sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt: Phương pháp này sử dụng không khí đã được đưa qua buồng lạnh để ngưng tụ, tách hơi nước ra trước khi đưa vào buồng gia nhiệt để đốt nóng và đưa vào buồng sấy nông sản Dưới sự chênh lệch áp suất riêng của hơi nước trên bề mặt sản phẩm với áp suất riêng của hơi nước trong không khí làm cho hơi nước ở sản phẩm tự bay bốc hơi và làm khô Do nhiệt độ sấy cao nhất khoảng 35 – C nên giữ được màu sắc, chất lượng của sản phẩm

- Sấy thăng hoa: Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn biến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa Để tạo ra quá trình thăng hoa, vật liệu sấy được làm lạnh dưới điểm ba thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu t<0oC, áp suất tác nhân sấy bao quanh vật P<620 Pa Từ đó, vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng để ẩm từ trạng thái rắn thăng hoa thành thể khí vào môi trường Như vậy, trong các hệ thống sấy thăng hoa phải tạo được chân không trong vật liệu sấy và làm lạnh vật xuống dưới C Ưu điểm của hệ thống sấy thăng hoa là bảo toàn được chất lượng sinh, hoá học của sản phẩm bao gồm: màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính, v.v ; áp dụng được cho hầu hết các loại nông sản hiện nay Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của phương pháp là chi phí đầu tư cao, phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh, thời gian sấy lâu hơn; chi phí vận hành, bảo trì, bảo dưỡng lớn hơn Do đó, 5 phương pháp này được dùng nhiều trong sấy các nông sản có giá trị cao hoặc các sản phẩm xuất khẩu vào một số thị trường khó tính bởi yêu cầu khắt khe về hàm lượng

1.2 Giới thiệu các phương pháp sấy lạnh

Với những đặc điểm phân tích từng phương pháp sấy ở trên, hệ thống sấy bơm nhiệt có ưu điểm là nhiệt độ sấy thấp dẫn đến giữ được màu sắc, mùi vị tự nhiên sau khi sấy; chi phí công nghệ cũng như tiêu thụ năng lượng ít hơn nhiều so với các phương pháp sấy thăng hoa, sấy chân không v.v Trong nước, đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học liên quan đến lĩnh vực chế biến, bảo quản nông sản sử dụng phương pháp sấy bơm nhiệt Tiêu biểu trong các công trình nghiên cứu đó là công trình nghiên cứu của GS.TS Nguyễn Đức Lợi và GS.TS Phạm Văn Tùy đã thiết kế và chuyển giao công nghệ sấy kẹo Jelly tại công ty bánh kẹo Hải Hà bằng phương pháp sấy lạnh bơm nhiệt với công suất nhiệt 60kW [1] Bên cạnh đó Tác giả Phạm Văn Tùy cùng các cộng sự [2] nghiên cứu và chế tạo thành công máy sấy lạnh hút ẩm đa năng và ứng dụng sấy một số sản phẩm như: cà rốt, củ cải, hành lá, thì là Kết quả được các sản phẩm sau khi sấy vẫn giữ nguyên màu tự nhiên dù đã sấy khô, hàm lượng vitamin C ở mức cao hơn hẳn so với các sản phẩm nông sản sấy bằng không khí nóng Công nghệ này đã được trao Giải thưởng sáng tạo khoa học công nghệ Việt Nam” Vifotec năm 2004 Nhóm nghiên cứu của TS Vũ Huy Khuê [3], đã thành công trong việc chế tạo được 2 mẫu thiết bị sấy bơm nhiệt kết hợp lò vi sóng trong đó 01 mẫu thiết bị sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng được chế tạo và lắp đặt hoàn chỉnh hiện đang hoạt động tại Viện KH&CN Nhiệt lạnh; 01 hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng công nghiệp được lắp đặt và sử dụng tại Công ty cổ phần thương mại dược vật tư y tế Khải Hà, Thái Bình Bên cạnh các kết quả của nhóm nghiên cứu Viện KH&CN Nhiệt Lạnh, nhóm tác giả ở bộ môn kỹ thuật Nhiệt Lạnh – khoa cơ khí nghiên cứu chế tạo trường đại học Nha Trang đã chế tạo thành công máy sấy bơm nhiệt tầng sôi kết hợp với bức xạ hồng ngoại và thử nghiệm thành công khi sấy với lá hẹ Máy có năng suất 8 Kg/mẻ, công suất tiêu thụ 4.2 kW Nhóm tác giả Võ Duy Mạnh và Lê Chí Hiệp đã chế tạo thử nghiệm thành công mô hình sấy bơm nhiệt kiểu thùng quay trên đối tượng cà rốt thái lát Kết quả đã đưa ra được điều kiện sấy tối ưu cho cà rốt là ở nhiệt độ C[4],, vận tốc tác nhân sấy 2.5m/s, số vòng quay 15 vòng/phút, khối lượng sấy ban đầu 4.5Kg

Qua các công trình, sản phẩm nghiên cứu kể trên, ta thấy các nhà khoa học trong nước đã dần làm chủ công nghệ chế tạo các hệ thống sấy lạnh áp dụng thành

công trong chế biến một số loại nông sản như chùm ngây, sữa ong chúa, xoài, cà rốt, v.v Bên cạnh hệ thống sấy lạnh thuần túy, để cải thiện thời gian sấy, năng lượng tiêu thụ hệ thống, các nhà nghiên cứu đã tích hợp thêm một số công nghệ hồng ngoại, vi sóng, thùng quay Qua đó cho thấy sự cải thiện về thời gian và chất lượng sản phẩm sấy Tuy nhiên, các sản phẩm sấy được ứng dụng trong các nghiên cứu trên đều là các sản phẩm cho phép thời gian sấy có thể kéo dài, ít bị vi khuẩn gây hỏng trong quá trình sấy

1.3 Sơ đồ nguyên lý, đặc điểm truyền nhiệt và truyền chất của hệ thống sấy lạnh 1.3.1 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy lạnh

Sấy lạnh bơm nhiệt là quá trình sấy tiến hành ở áp suất khí quyển, tác nhân sấy là không khí được đưa vào thiết bị bay hơi của hệ thống lạnh bơm nhiệt để hạ nhiệt độ xuống điểm đông sương Hơi nước trong không khí bị ngưng tụ tách ra làm cho không khí có độ chứa hơi giảm về 0, áp suất riêng phần hơi nước trong không khí giảm về 0 (nhưng không thể bằng 0) và được dẫn qua thiết bị ngưng tụ của hệ thống lạnh bơm nhiệt, sau đó được đốt nóng, nhiệt độ không khí tăng lên đến nhiệt độ ngưng tụ của môi chất lạnh ở thiết bị ngưng tụ Sau đó, chúng được dẫn vào buồng sấy chứa sản phẩm như Hình 1.2

Hình 1 2 Chu trình hệ thống sấy lạnh kiểu bơm nhiệt

Dưới sự chênh lệch ấp suất riêng của hơi nước trên bề mặt sản phẩm với áp suất riêng của hơi nước trong không khí (tác nhân sấy), hơi nước ở sản phẩm tự bốc hơi và làm khô sản phẩm Do nhiệt độ môi trường sấy thấp, nên chất lượng sản phẩm ít bị ảnh hưởng so với ban đầu, đảm bảo giá trị kinh tế cao cho nguyên liệu

Cấu tạo của một máy sấy lạnh gồm một máy bơm nhiệt được lắp đặt gọn gàng, tạo ra hướng cấp nhiệt và thoát ẩm phù hợp nhất nhằm đảm bảo vật sấy khô đều

Hình 1 3 Sơ đồ hệ thống lạnh máy sấy lạnh kiểu bơm nhiệt

1.3.2 Đặc điểm truyền nhiệt và truyền chất của hệ thống sấy lạnh

Trong kỹ thuật sấy lạnh, thế sấy của không khí tăng nhờ quá trình tách ẩm ở dàn bốc hơi và quá trình gia nhiệt bằng chính dàn ngưng tụ trong các máy lạnh Yếu tố có tính quyết định ở đây là quá trình làm lạnh không khí trong dàn lạnh, từ đây sẽ nhận được không khí có nhiệt độ và độ chứa hơi (d) nhỏ đảm bảo cho quá trình truyền nhiệt, truyền chất giữa vật sấy và tác nhân sấy trong buồng sấy xẩy ra ở điều kiện gradient nhiệt độ và gradient áp suất cùng chiều, không có giai đoạn nào xẩy ra hiệu ứng Luikov A.V cản trở quá trình sấy như trong phương pháp sấy nóng Vì vậy, ngoài việc tính toán, thiết kế hệ thống nói chung thì điều tối cần thiết là chế độ làm việc của dàn lạnh hay nói cách khác là khả năng tối ưu nhất của dàn lạnh có tầm quan trọng đặc biệt Để tăng cường tách ẩm cho hệ thống, không khí sấy trải qua giai đoạn tách ẩm ở dàn lạnh, vì thể ẩm trong không khí có thể tồn tại ở ba dạng hơi, lỏng và rắn, với dung ẩm ở dạng hơi dh, dạng lỏng dl và dạng rắn dr, entanpi H của không khí ẩm:

H= + (2500+1,93 ) + 4,18 + (-335+2,1 ) , KJ/Kgkk (1.1) Trong quá trình khử ẩm ở dàn lạnh, chiều dài đường đi của dòng không khí là yếu tố có tính quyết định, theo đó mà lưu lượng thể tích không khí cũng như công suất nhiệt trao đổi sẽ thay đổi, không khí được làm lạnh đến nhiệt độ điểm sương ts

Nước ngưng theo đường 100% (ứng với 1 không khí ẩm khi nhiệt độ

giảm đi 1K) và thay đổi nhanh qua nhiệt độ theo biểu thức:

=

,kg (1.5)

Trong đó:

Ph: Áp suất hơi bão hòa của hơi nước ứng với nhiệt độ của không khí ẩm Hằng số R đối với hơi nước trong không khí ẩm: R=8314/18=861,89 J/kgK Mặt khác có thể tính nhiệt lượng do không khí truyền cho môi chất lạnh tương ứng với mỗi đơn vị dài của thiết bị bay hơi bơm nhiệt:

= k(T- ) (1.6)

Với là hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi [W/mK]

Từ các cơ sở trên ta có quan hệ: = -

ln (1.7)

Là thông số đặc trưng cho công suất của thiết bị bốc hơi của bơm nhiệt (thường khoảng 1kJ/m3K), X[m] là chiều sâu của thiết bị bốc hơi, [m] là khoảng cách từ đầu thiết bị vào thiết bị bốc hơi đến điểm xuất hiện quá trình ngưng đọng ẩm, Ts là nhiệt độ đọng sương

1.4 Các thiết bị trong hệ thống sấy lạnh

Sấy lạnh kiểu bơm nhiệt hệ thống lạnh hoạt động theo sơ các cấp nén khiểu bơm nhiệt, dựa trên sự trao đổi nhiệt của môi chất tuần hoàn trong hệ thống kín

Hình 1 4 Máy sấy lạnh kiểu bơm nhiệt thực tế

Hệ thống lạnh bao gồm có máy nén giữ vị trí trung tâm nhiệm vụ tuần hoàn môi

chất trong hệ thống, hệ thống dàn ngưng tụ và bay hơi giúp môi chất trao đổi nhiệt với môi trường, van tiết lưu nhiệt thay đổi lưu lượng môi chất, hệ thống van điện từ, van chặn có vai trò đóng mở môi chất Ngoài ra hệ thống còn có một số thiết bị :

+ Khu vực buồng sấy: Đây là không gian cần đặt sản phẩm sấy khô Khu vực này sẽ được thiết kế các khay sấy có lỗ để đảm bảo nhiệt độ sấy lan tỏa khắp các khay và sản phẩm sấy

Hình 1 5 Khay sấy thực tế

+ Hệ thống quạt hút thổi: Đây là một thiết bị khá quan trọng Nhờ có hệ thống này mà giúp không khí bên trong buồng sấy được tuần hoàn từ buồng sấy qua hệ thống tách ẩm rồi trở lại buồng sấy

+ Hệ thống tách ẩm: Hệ thống này là bộ phận quan trọng nhất của máy sấy lạnh Hệ thống này bao gồm dàn nóng, dàn lạnh, máy nén, van tiết lưu… khi không khí đi qua hệ thống tách ẩm này , hơi nước trong không khí sẽ bị giữ lại và theo đường ống nước chảy ra bên ngoài máy

+ Khay sấy: Các khay sấy sẽ được đặt trong khu vực buồng sấy Sản phẩm sấy sẽ được đặt lên các khay sấy để sấy Tùy theo đặc trưng sản phẩm sấy mà sẽ thiết kế dạng đục lỗ hay khay liền để phù hợp với sản phẩm sấy

+ Thanh điện trở: Thanh điện trở sẽ cung cấp nhiệt lượng khi có dòng điện chạy qua giúp máy đạt được nhiệt độ đúng theo yêu cầu cài đặt

+ Hệ thống đèn khử khuẩn UV là thiết bị đèn thông minh có chức năng diệt khuẩn hiệu quả Đảm bảo loại bỏ hiệu quả vi khuẩn trong sản phẩm sấy

+ Bảng điều khiển: Bảng điều khiển sẽ giúp cài đặt nhiệt độ, thời gian sấy,

kiểm soát độ ẩm, lưu chu trình sấy, theo dõi lịch sử vận hành của máy

Bơm nhiệt là một thiết bị dùng để bơm một dòng nhiệt từ mức nhiệt độ thấp lên mức nhiệt độ cao hơn, phù hợp với nhu cầu cấp nhiệt Máy lạnh cũng là m ột loại bơm nhiệt và có chung một nguyên lý hoạt động, các thiết bị của chúng về cơ bản là giống nhau chỉ phân biệt máy lạnh với bơm nhiệt ở mục đích sử dụng Máy lạnh gắn với việc sử dụng nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi còn bơm nhiệt gắn với việc sử dụng nguồn nhiệt ở thiết bị ngưng tụ Do sử dụng nguồn nhiệt nên bơm nhiệt hoạt động ở cấp nhiệt cao hơn

Hình 1 6 Máy nén máy sấy lạnh kiểu bơm nhiệt

Môi chất và cặp môi chất: Môi chất và cặp môi chất của bơm nhiệt có yêu cầu như máy lạnh Một vài yêu cầu đặc biệt hơn xuất phát từ nhiệt độ sôi và ngưng tụ cao hơn, gần giống như chế độ nhiệt độ cao của điều hòa không khí, nghĩa là cho đến nay người ta vẫn sử dụng các loại môi chất như: R12, R22, R502 và MR cho máy tuabin Gần đây người ta chú ý đến việc sử dụng các môi chất mới cho bơm nhiệt nhằm nâng cao nhiệt độ dàn ngưng như: R22, R113, R114, R12B1, R142 v.v

Máy nén lạnh: Cũng như máy nén lạnh, máy nén là bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt Tất cả các dạng máy nén của máy lạnh đều được ứng dụng trong bơm nhiệt Đặc biệt quan trọng là máy nén piston trượt, máy nén trục vít và máy nén tuabin Một máy nén bơm nhiệt cần phải chắc chắn, tuổi thọ cao, chạy êm và cần phải có hiệu suất cao trong điều kiện thiếu hoặc đủ tải

Các thiết bị trao đổi nhiệt: Các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản trong bơm nhiệt là thiết bị bay hơi và thiết bị ngưng tụ Máy lạnh hấp thụ có thêm thiết bị sinh hơi và hấp thụ Giống như máy lạnh, thiết bị ngưng tụ và bay hơi của bơm nhiệt cũng bao gồm các dạng: ống chùm, ống lồng ngược dòng, ống đứng và ống kiểu tấm Các phương pháp tính toán cũng giống như các chế độ điều hoà nhiệt độ

Thiết bị phụ của bơm nhiệt: Tất cả các thiết bị phụ của bơm nhiệt giống như thiết bị phụ của máy lạnh Xuất phát từ yêu cầu nhiệt độ cao hơn nên đòi hỏi về độ tin cậy, công nghệ gia công thiết bị cao hơn Đây cũng là vấn đề đặt ra đối với dầu bôi trơn và đệm kín các loại trong hệ thống Do bơm nhiệt phải hoạt động ở chế độ áp suất và nhiệt độ gần sát với giới hạn tối đa nên các thiết bị tự động rất cần thiết và phải hoạt động với độ tin cậy cao để phòng ngừa hư hỏng các thiết bị khi chế độ làm việc vượt quá giới hạn cho phép Đối với van tiết lưu, bơm nhiệt có chế độ làm việc khác máy lạnh nên cũng cần có van tiết lưu phù hợp

Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt: Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt là những thiết bị hỗ trợ cho bơm nhiệt phù hợp với từng phương án sử dụng của nó Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt gồm một số loại sau:

Các phương án sử dụng nhiệt thu ở dàn ngưng tụ Nếu là sưởi ấm thì có thể sử dụng dàn ngưng trực tiếp hoặc gián tiếp qua một vòng tuần hoàn chất tải nhiệt, có thể sử dụng để sấy, nấu ăn, hút ẩm v.v Mỗi phương án đòi hỏi thiết bị hỗ trợ khác nhau

Các phương án cấp nhiệt cho dàn bay hơi Trường hợp sử dụng dàn lạnh đồng thời với nóng thì phía dàn bay hơi có thể là buồng lạnh hoặc chất tải lạnh Ngoài ra cũng có thể sử dụng dàn bay hơi đặt ngoài không khí, dàn bay hơi sử dụng nước giếng là môi trường cấp nhiệt Cũng có những phương án như dàn bay hơi đặt ở dưới nước, đặt ở dưới đất hoặc sử dụng năng lượng mặt trời

Các thiết bị điều khiển, kiểm tra tự động sự hoạt động của bơm nhiệt và các thiết bị hỗ trợ Đây là những thiết bị tự động điều khiển các thiết bị phụ trợ ngoài bơm nhiệt để phù hợp với hoạt động của bơm nhiệt v.v

1.5 Vật liệu sấy lạnh và lựa chọn vật liệu sấy lạnh

Tất cả các sản phẩm đều chịu biến đổi trong quá trình sấy và bảo quản sau đó Yêu cầu đặt ra đối với quá trình sấy là bảo vệ tới mức tốt nhất chất lượng, hạn chế những hư hại trong quá trình sấy, bảo quản đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế một cách tối ưu nhất[11] Xét về cơ bản những thay đổi trong quá trình sấy có thể chia ra:

- Những thay đổi lý học: sứt mẻ, gãy, vỡ,…

- Những thay đổi hóa lý: trạng thái tính chất của những thành phần cao phân tử bị thay đổi

- Những thay đổi hóa sinh: do sự oxi hóa của chất béo, phản ứng sẫm màu phi enzim, phản ứng enzim,…

- Những thay đổi do vi sinh vật

Những thay đổi đó làm thay đổi cấu trúc màu sắc mùi vị, giá trị dinh dưỡng và có ảnh hưởng đến tính hồi nguyên của sản phẩm sau khi sấy Các phương pháp sấy khác nhau có những ưu điểm và nhược điểm trong quá trình sấy các sản phẩm rau quả Trong đó, phương pháp sấy nóng đáp ứng được các yêu cầu về năng suất, thời gian sấy nhưng lại không đáp ứng tốt các đòi hỏi về chất lượng sản phẩm Ngược lại, đối với các sản phẩm sấy yêu cầu nhiệt độ thấp đòi hỏi phải có quy trình sấy phù hợp hơn Công nghệ sấy lạnh là một công nghệ mới được dùng để giải quyết các vấn đề không thể giải quyết đối với công nghệ sấy nóng Từ nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh những ưu điểm vượt trội của công nghệ sấy lạnh trong quá trình xây dựng quy trình sấy đối với các loại rau củ quả có giá trị kinh tế

Có thể thực hiện quá trình sấy trong khoảng nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy rộng, có thể thực hiện quá trình sấy ở nhiệt độ thấp hơn các phương pháp sấy truyền thống và có hiệu quả sử dụng năng lượng cao Đồng thời, hệ thống sấy có hỗ

trợ bơm nhiệt là một hệ thống kín, nên khả năng giữ mùi tốt, giúp hạn chế tổn các thành phần tạo mùi của nguyên liệu, điều rất khó thực hiện trong các phương pháp sấy truyền thống khác Điều này góp phần làm nâng cao chất lượng của sản phẩm sau khi sấy

Vì vậy, phương pháp sấy có hỗ trợ bơm nhiệt đang rất được quan tâm đầu tư thiết kế và chế tạo cho các công ty chế biến nông sản và áp dụng cho rất nhiều sản phẩm như: trái cây, rau củ, hải sản (mực, cá, các loại sò v.v .), gia vị (hành, ngò v.v ), hạt sen v.v Sấy thảo dược: sấy các loại sâm,sấy hạt hồi, sấy nấm linh chi, sấy cam thảo, sấy chùm ngây, sấy đinh lăng, sấy cỏ ngọt, sấy gừng nghệ, sấy trinh nữ hoàng cung, sấy thịt gấc v.v .; Sấy nông sản: sấy cà phê, sấy tiêu, sấy củ cải, sấy thuốc lá, sấy các loại nấm ăn, sấy chè xanh, sấy khổ qua, sấy ớt, sấy hạt hướng dương, sấy hạt dưa v.v .; Sấy trái cây: sấy nhãn, sấy xoài dẻo, sấy chuối dẻo, sấy táo, sấy mận, sấy mít dẻo, sấy khoai lang dẻo, sấy nho, sấy thanh long dẻo v.v ; Sấy thực phẩm: sấy hủ tiếu, sấy bánh phở, sấy bánh tráng, sấy bún khô, sấy cơm cháy, sấy bột sắn dây, sấy lạp xưởng, sấy bò khô v.v ; Sấy thủy sản: sấy cá khô, sấy mực, sấy tôm, tép, sấy mắm ruốc, sấy khô cá lóc, sấy khô cá tra phồng, sấy khô cá dứa, sấy khô cá chạch, v.v

Tuy nhiên, phương pháp sấy có hỗ trợ của bơm nhiệt cũng tồn tại một số nhược điểm là chi phí đầu tư cao, quá trình vận hành và bảo trì phức tạp và hiện vẫn còn sử dụng một số chất tải lạnh không thân thiện với môi trường như R22 Do giới hạn của nhiệt độ tác nhân lạnh tại bộ phận ngưng tụ của hệ thống bơm nhiệt (theo chu trình Carnot), nên trong nhiều trường hợp, không thể gia nhiệt tác nhân sấy bằng lên cao hơn nhiệt độ giới hạn này Do đó, hệ thống gia nhiệt hỗ trợ cần được lắp đặt thêm Một trong những giải pháp hiệu quả là sử dụng tích hợp phương pháp sấy lạnh bơm nhiệt kết hợp sấy điện trở

1.5.1 Vật liệu ẩm

1.5.1.1 Khái niệm chung

Trong vật liệu ẩm gồm có rắn, lỏng và khí Vì khối lượng của chất khí rất nhỏ ( mặc dù nó chiếm dung tích lớn trong vật ẩm) có thể bỏ qua, nên vật ẩm được xem như gồm hai thành phần là chất rắn và chất lỏng

Chất rắn gọi là vật chất khô tuyệt đối Độ ẩm của vật liệu được ký hiệu W

W= =

(1.8)

– Khối lượng của ẩm, Kg – Khối lượng của chất khô, kg m – Khối lượng của vật liệu ẩm, kg

Độ ẩm theo công thức (1.8) là đại lượng không thứ nguyên Nếu tính theo phần trăm ta có công thức sau:

Vật liệu sấy là vật liệu ẩm đã tách một phần hay toàn bộ lượng ẩm Thông thường vật liệu ẩm được sấy đến độ ẩm phù hợp Tác nhân sấy là chất khí hoặc chất lỏng tạo thành môi trường bọc lấy đối tượng sấy, để ẩm tách khỏi đối tượng sấy đi theo nó Nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ của tác nhân sấy anht hưởng lớp đến quá trình

sấy

1.5.2 Đặc tính và phân loại đối tƣợng sấy

Theo quan điểm hoá lý, vật ẩm là một hệ liên kết phân tán giữa pha phân tán và môi trường phân tán Pha phân tán là một chất có cấu trúc mạng hay khung không gian từ chất rắn phân đều trong môi trường phân tán ( là một chất khác)

Hệ phân tán được chia làm ba nhóm: Phân tán thô, keo và phân tử (ion)

Trong hệ phân tán thô, các phần tử có kích thước lớn hơn m Trong hệ này gồm có huyền phù và nhũ tương chúng không bền vững nên rất dễ dàng phân lớp

Trong hệ phân tán thô, các phần tử có kích thước lớn hơn m đến

m Do các phần tử của pha phân tán lớn hơn môi trường phân tán nên hấp thụ các phần tử của môi trường phân tán lên bề mặt của các phần tử của pha phân tán

Hệ phân tán phần tử ion có kích thước nhỏ hơn m Đây thực chất là hêj phân tán của các phần tử ion, hệ này rất bền vững

Keo là một dạng của hệ phân tán phần tử Với keo thì các phần tử của pha phân tán không chuyển dịch tự do như trong dung dịch mà liên kết với nhau Các phân tử của môi trường phân tán choán đầy không gian giữa các phần tửcuar pha phân tán

Keo có nguồn gốc hữu cơ hay vô cơ, tự nhiên hay nhân tạo, đàn hồi hoặc không đàn hồi Keo không đàn hồi hút chất lỏng thấm ướt nó Khi hút hay nhả nước, keo không đàn hồi hầu như thay đổi dung tích

Keo đàn hồi chỉ hút một số chất lỏng, khi đó dung tích của nó gia tăng và vỡ ra, tan ra thành dung dịch Quá trình này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như cường độ tan phân tán của pha, nhiệt độ, áp suất cảu môi trường

Từ đặc tính trên chúng ta phân chia vật liệu rắn ẩm thành ba phần nhóm: keo, xốp mao dẫn và keo – xốp mao dẫn

Trong nhóm keo thì loại đàn hồi sẽ thay đổi thể tích( giảm đi) khi sấy nhưng vẫn giữ được tính đàn hồi

Trong nhóm xốp mao dẫn thì keo không đàn hồi, sau khi sấy nó vỡ vụn ra và có thể tạo thành bột

Nhóm keo – xốp mao dẫn có tính chất cảu hai nhóm trên Khi hút nước nó trương vỡ ra, khi sấy nó co lại và phần lớn vỡ vụn ra

Các đối tượng sấy trong công ghiệp thực phẩm có cấu trúc rất phức tạp.Vì vậy vấn đề chia nhóm là khá phức tạp

1.5.3 Những đặc tính cấu trúc của đối tƣợng sấy

Phần lớn các vật liệu có cấu trúc xốp Khoảng cách giữa các phần tử cấu tạo nên khung vật chất khô lớn hơn kích thước của phần tử Không gian giữa các phần tử gọi là các mao dẫn hay các lỗ xốp Đối với vật liệu ẩm thì các mao dẫn hay lỗ xốp chứa đầy nước, lực liên kết giữa bề mặt các mao dẫn và lỗ xốp với nước cùng với trường hấp dẫn xác định trạng thái của chất lỏng trong vật ẩm

Cấu trúc không gian của các mao dẫn hay lỗ xốp rất phức tạp Tính chất của chúng được xác định bởi hàng loại đặc tính cấu tạo của vật xốp Những đặc tính đó là độ xốp, độ thẩm thấu, dạng và kích thước của các lỗ xốp

Độ xốp cảu vật thể là , được xác định theo công thức: = = = 1 - (1.11)

Trong đó:

– thể tích của các lỗ xốp, ;

–thể tích của các phần tử cấu tạo khung vật chất khô, ;

ρ, – khối lượng riêng của vật xốp, vật chất ( các phần tử) cấu tạo

Độ thẩm thấu của vật xốp là khả năng cho chất lỏng thấm qua khi có tác dụng của trường áp suất nào đó

Do cấu trúc của các mao dẫn hay lỗ xốp rất đa dạng và ít mang tính quy luật nên không thể áp dụng thuyết giải tích để khảo sát chúng Thay vào đó người ta dùng mô hình mao dẫn và mô hình phân tán để khảo sát các ảnh hưởng đến trạng thái của ẩm trong vật xốp

= (1.14) [18]

Trong đó :

– chiều dài của mao dẫn

b – chiều dày vật xốp ( chiều dày lớp lọc)

1.5.4 Các dang liên kết giữa nước và vật liệu

Nước có trong vật liệu ẩm có thể chia thành hai nhóm: Nước tự do và nước liên kết

Nước tự do nằm ở bề mặt của vật, có áp suất riêng bằng áp suất hơi nước bão hoà ứng với nhiệt độ hiện tại của vật ẩm

Nước tự do nằm trong vật ẩm là lượng nước tạo ra trên bề mặt của vật ẩm hơi nước có áp suất riêng đạt giá trị bão hoà ở nhiệt độ hiện tại của vật ẩm

Nước liên kết tạo ra trên vật ẩm hơi nước có áp suất riêng nhỏ hơn áp suất bão hoà ứng với nhiệt độ của vật

Do khả năng phản úng hoá học và hoà tan mạnh trên các chất nên trong các sản phẩm thực phẩm không có nước nguyên chất mà dưới dạng dung dịch

Muốn tách nước ra khỏi vật cần có năng lượng bằng hay lớn hơn năng lượng liên kết cảu nó với vật ẩm cần có năng lượng bằng hay lơn hơn năng lượng liên kết của nó với vật ẩm Để có thể lựa chọn phương pháp tách nước tốt nhất, cần phải biết các dạng liên kết của nó với vật ẩm

1.5.4.1 Dạng liên kết hoá học

Liên kết hoá học của nước với vật chất khác xác định với tỷ lệ thành phần nghiêm nhặt Liên kết hoá học của nước có hai loại: liên kết ion và liên kết phân tử

Liên kết ion được hình thành bởi những phản ứng hoá học nên rất bền vững Muốn phá vỡ liên kết này phải dùng các phản ứng háo học hoặc nung đến nhiệt độ cao

Liên kết phần tử có thể quan sát qua quá trình kết tủa của các dung dịch Trong quá trình sấy không đặt vấn đề tách nước ở dạng liên kết hoá học với vật ẩm, vì vậy ta không đi sâu về liên kết dạng này của nước

1.5.4.2 Liên kết hoá lý

Liên kết hoá lý không đòi hỏi nghiêm ngặt về tỷ lệ thành phần liên kết Liên kết hoá lý có hai loại: liên kết hấp phụ và liên kết thẩm thẩm thấu

Liên kết hấp thụ của nước gắng liền với các hiện tượng xảy ra trên bề mặt giới hạn các pha( rắn hoặc lỏng)

Các phần tử hay io nằm trong pha ( lỏng chẳng hạn) chịu các lực kéo về mọi phía là bằng nhau về độ lớn và chúng bằng 0 khi tổng hợp lại Trong khi đó các phần tử hay ion nằm sat bề mặt giới hạn pha ( mặt thoáng) thì lực kéo tổng hợp có xu hướng kéo chúng vào lòng pha lỏng Phương trình thể hiện lực tác dụng lên phần tử:

Năng lượng tự do trên một đơn vị diện tích bề mặt giới hạn đúng bằng sức căng bề mặt σ

Nếu ta để một mẫu vật khô tuyệt đối trong không khí có chứa hơi nước thì trường lực bề mặt không cân bằng sẽ kéo các phần tử nước Giữa các phần tử nước và vật rắn xuất hiện lực hấp phụ Nếu các phần tửu của mỗi chất vẫn nguyên tính chất thì đó là quá trinh hấp phụ vật lý Trường hợp các phần tử hấp phụ nhận hay cho các điện tử thì gọi là hấp thụ hoá học

Liên kết thẩm thấu là liên kết mang tính chất cơ học của nước với vật liệu có tính keo – xốp mao dẫn Những vật liệu này có cấu trúc khung, nước thấm vào và nằm trong không gian khung Nước trong vật thể nằm không phải là nguyên chất mà dưới dạng dung dịch Việc nước thấm từ ngoài vào trong vật hay ngược lại từ vật thể ra ngoài giống như nước thấm qua màng ngăn cách dung dịch có nồng độ thấp sang dung dịch có nồng độ cao [20]

Khi nước ở lớp bề mặt của vật thể bay hơi thì nồng độ của dung dịch ở đó tăng lên và nước ở sâu bên trong sẽ thấn ra ngoài Ngược lại, khi ta đặt vật thể vào trong nước thì nước sẽ thấm vào trong

1.5.4.3 Liên kết cơ lý

Dạng liên kết này của nước với vật thể gồm nước bề mặt và nước trong mao dẫn Nước bề mặt là liên kết cơ học của nước với bề mặt vật thể khi ta nhúng nó vào nước, hoặc nhỏ nước trên bề mặt nó Đó là sự cân bằng giữa rắn – lỏng – khí

Để tách ẩm khỏi vật ẩm bằng sấy nhiệt thì phải làm cho âm bay hơi và rời khỏi vật thể Do lực liên kết giữa ẩm và vật thể nên nhiệt lượng bay hơi của 1 kg ẩm lớn hơn nhiệt hoá hơi cảu nước tự do

= r + ∆r (1.16) r nhiệt hoá hơi của nước tự do, Kj/kg;

∆r – nhiệt lượng để thắng lực liên kết giữa ẩm với vật thể, Kj/kg ∆r = - KTln

= e (1.17) – áp suất riêng của hơi nước trên bề mặt vật ẩm, N/

– áp suất hơi bão hoà trên mặt nước nguyên chất ở nhiệt độ T, N/ e – năng lượng liên kết riêng của nước, kJ/kg

1.6 Ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng sản phẩm

Việt Nam là một nước nhiệt đới có nhiều điều kiện để phát triển ngành trồng trọt và chế biến nông sản Tuy nhiên, tỷ lệ tổn thất sau thu hoạch là rất lớn 25-30% Nguyên nhân chính là do công nghệ chế biến và bảo quản của chúng ta còn lạc hậu nên đã làm cho nông sản của Việt Nam có giá trị thấp trong thị trường trong nước cũng như xuất khẩu, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của người nông dân, vì vậy việc nghiên cứu đưa ra các quy trình công nghệ cũng như ứng dụng triển khai chuyển giao các kết quả nghiên cứu, các quy trình công nghệ bảo quản, chế biến nông sản, đóng vai trò hết sức quan trọng trong chiến lược phát triển ngành nông, lâm nghiệp

Nông sản hiện nay chủ yếu được sử dụng ở dạng tươi, như đã biết nông sản là loại sản phẩm có tính thời vụ, thời gian thu hoạch ngắn, khả năng vận chuyển và bảo quản hạn chế, trong khi kỹ thuật bảo quản nông sản tươi vẫn chỉ dựa vào các kinh nghiện cổ truyền, mang tính thủ công chấp vá Công nghệ sấy ứng dụng trong chế biến nông sản khô được tiến hành từ khá lâu nhưng cho đến nay vẫn bộc lộ nhiều hạn chế về công nghệ chưa khắc phục được chất lượng đầu ra của sản phẩm, chưa đáp ứng được các yêu cầu về đặc tính hóa lý, mùi, màu, thành phần dinh dưỡng nên khó đáp ứng cho nhu cầu tiêu thụ và xuất khẩu trong và ngoài nước Việc đầu tư nghiên cứu một quy trình công nghệ mới giải quyết những vấn đề này là thực sự cần thiết Công nghệ sấy lạnh được xem là một công nghệ mới, ra đời từ yêu cầu cấp thiết đó

Ưu điểm của công nghệ sấy lạnh có thể xây dựng được từng quy trình công nghệ sấy hợp lý đối với từng loại rau, củ, quả Sau khi sấy, nông sản, thực phẩm giữ được nguyên màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dưỡng thất thoát không đáng kể, đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm của Việt Nam và các chỉ tiêu kỹ thuật, chất lượng sản phẩm tương đương một số nước khác trên thế giới Việt Nam là một nước có khí hậu nóng ẩm, vì thế máy sấy lạnh là công nghệ đặc biệt phù hợp với các loại nông sản, thực phẩm, đảm bảo được chất lượng cũng như hàm lượng dinh dưỡng, màu s ắc, mùi vị cho sản phẩm Đối với các sản phẩm như củ cà rốt, thì là, hành hay các loại kẹo chocolate, kẹo Caramen, Jelly Môi trường chế biến những sản phẩm này yêu cầu về nhiệt độ không được quá cao và độ ẩm phải nhỏ hơn 45 -50% Tính

mới của công nghệ này là quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độ thấp, tạo môi trường nhiệt độ cùng chiều với môi trường độ ẩm để tăng cường độ sấy Ngoài ra, công nghệ này có nhiều ưu điểm kỹ thuật khác như: hút ẩm nhưng không làm tăng nhiệt độ môi trường như máy hút ẩm thông thường, sấy khô được các sản phẩm không cho phép làm khô trong môi trường nhiệt độ cao

1.6.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy

Để xét sự ảnh hưởng của nhiệt độ tác nhân sấy đến động học quá trinh sấy thì tác nhân sấy phải có thông số như sau: thay đổi ( = const, = const) Nhiệt độ sấy càng tăng thì thời gian sấy càng giảm và tốc độ sấy tăng, hàm ẩm lúc kết thúc giai đoạn thứ nhất càng cao Đó là do chênh lệnh nhiệt độ giữa tác nhân sấy và nhiệt độ bề mặt vật sấy tăng thúc đẩy quá trình truyền nhiệt và truyền ẩm cả trong vật sấy và từ bề mặt vật sấy sang tác nhân sấy

Hình 1 7 Ảnh hưởng của nhiệt độ đên tác nhân sấy

1.6.2 Ảnh hưởng của các thông số chế độ sấy đến hàm ẩm của vật sấy giữa giai đoạn sấy

Hàm ẩm của vật sấy lúc kết thúc giai đoạn tốc độ sấy không đổi là hàm của thông sô chế độ sây

= (

= (

= (

Hàm = ( có cực đại Có như vậy là vì tăng nhiệt độ tác nhân sấy

Hình 1 8 Ảnh hưởng nhiệt độ của tốc độ sấy

Để tránh tổn hao năng lượng lớn cho quạt ta chọn = 5 m/s trong giai đoạn sấy thứ nhất; = 1 m/s ở giai đoạn thứ hai Sắp xếp vật sấy trong buồng sấy sao cho ít trở lực nhất mà ảnh hưởng dến quá trình sấy

Hình 1 9 Đồ thị biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt độ đến tác nhân sấy

1.6.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ đến chất lượng của đối tượng sấy

Đối với nông sản sấy, các đặc trưng liên quan đến chất lượng sau đây thường được quan tâm:

Bảng 1 1 Các đặc trong liên quan đến chất lượng nông sản sấy - Khả năng hòa tan - Sự thay đổi cấu trúc

- Vi sinh vật trong quá trình sấy: Bản chất của quá trình sấy là làm giảm hoạt độ nước, từ đó ức chế sự phát triển của vi sinh vật Quá trình sấy không tiêu diệt vi sinh vật như các quá trình tiệt trùng hay thanh trùng Do đó, vi sinh vật không hoàn

dưới tác dụng của nhiệt độ cũng như việc giảm hoạt độ của nước, khả năng kháng nhiệt của vi sinh vật sẽ giảm đi đáng kể Và do vi sinh vật bị ức chế, nên các độc tố cũng như các hư hỏng do quá trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật tạo ra cũng được ức chế Tuy nhiên, trong trường hợp với những loại nông sản có mật độ vi sinh vật ban đầu cao, quá trình hư hỏng do vi sinh vật cũng như độc tố có thể sinh ra trong giai đoạn đầu của quá trình sấy Khi đó, các quá trình tiền xử lý cần được thực hiện để khắc phục hiện tượng này

- Các phản ứng tạo màu: Phản ứng tạo màu phổ biến trong quá trình sấy các loại nông sản là phản ứng Maillard Đây là phản ứng đặc trưng đối với việc sấy các loại nguyên liệu có sự hiện diện đồng thời các axit amin tự do và đường khử Phản ứng này phụ thuộc vào nhiệt độ, để hạn chế phản ứng này, có thể sử dụng các phương pháp sấy có nhiệt độ của quá trình sấy thấp

- Các phản ứng oxi hóa: Trong quá trình sấy, một trong những phản ứng oxi hóa có ảnh hưởng xấu đến chất lượng của nông sản là phản ứng oxi hóa chất béo

Quá trình oxi hóa chất béo dẫn đến việc hình thành các hợp chất có khả năng tạo mùi xấu (thường gọi là ôi dầu) Đặc biệt, khi trong nguyên liệu có các enzyme lipase, quá trình oxi hóa này diễn ra càng mạnh Để khắc phục hiện tượng này, có thể thực hiện quá trình sấy ở nhiệt độ thấp hoặc trong điều kiện càng ít sự hiện diện oxy càng tốt

Sự thay đổi về tính chất vật lý của nguyên liệu: Quá trình sấy thường tạo ra những biến đổi đáng kể về cấu trúc Một trong những biến đổi quan trong nhất là hiện tượng co lại của nguyên liệu (shrinkage) Nguyên nhân của hiện tượng này là do khi mất nước, các mô có xu hướng co lại, dẫn đến sự co lại của cả nguyên liệu Cùng với hiện tượng co lại, khả năng tái hút ẩm (hoàn nguyên) cũng là một thuộc tính quan trọng Khả năng tái hút ẩm thường tỷ lệ nghịch với sự co lại của nguyên liệu Sự thay đổi của hai thuộc tính này quyết định đến các tính chất vật lý còn lại như độ xốp, cấu trúc lỗ xốp, độ giòn… Sự thay đổi về tính chất vật lý phụ thuộc vào nhiệt độ, tốc độ bay hơi nước và thành phần hóa học của nguyên liệu.Sự biến đổi của các thành phần dinh dưỡng trong nguyên liệu: Trong các loại nguyên liệu giàu vitamin và các hoạt chất sinh học như trái cây, dưới tác dụng của nhiệt độ, các thành phần này dễ bị tổn thất, từ đó, làm giảm giá trị dinh dưỡng của nguyên liệu

Ví dụ, khi sấy trái cây, vitamin C bị tổn thất gần như hoàn toàn trong điều kiện không khí nóng Hay khi sấy dâu tây bằng không khí nóng ở điều kiện 60oC, hàm lượng polyphenol và khả năng chống oxi hóa giảm đến 80% Để hạn chế tổn thất này, cần thực hiện quá trình sấy ở điều kiện nhiệt độ thấp và ít sự hiện diện của oxi

Ảnh hưởng đến cấu trúc: Thay đổi về cấu trúc của các vật liệu là một trong những nguyên nhân quan trọng làm giảm chất lượng sản phẩm Bản chất và mức độ của các biện pháp xử lí rau quả trước khi sấy đều có ảnh hưởng đến cấu trúc của các sản phẩm sau khi hồi nguyên Nguyên nhân là do sự hồ hóa của tinh bột, sự kết tinh của xenluloza và sự hình thành các sức căng bên trong do khác biệt về độ ẩm ở các vị trí khác nhau Kết quả la sự tạo thành các vết nứt gãy, các tế bào bị nén ép vặn vẹo vĩnh viễn, làm cho sản phẩm có bề ngoài bị co ngót, nhăn nheo Trong quá trình làm ướt trở lại sản phẩm hút nước chậm, không thể lấy lại hình dạng như ban đầu Các sản phẩm khác nhau có sự dao động về mức độ co ngót và khả năng hấp thụ nước trở lại Sấy nhanh ở nhiệt độ cao làm cho cấu trúc bị thay đổi nhiều hơn so với sấy với tốc độ vừa phải ở nhiệt độ thấp Trong quá trình sấy, các chất hòa tan di chuyển theo nước từ bên trong ra bề mặt ngoài của sản phẩm Quá trình bay hơi làm cô đặc các chất tan ở bề mặt, kết hợp với nhiệt độ không khí (đặc biệt khi sấy trái cây, cá, thịt,…) gây ra các phản ứng lý hóa phức tạp của các chất tan ở bề mặt ngoài nên lớp vỏ cứng không thấm được Hiện tượng này gọi là hiện tượng cứng vỏ (case hardening), làm giảm tốc độ sấy và làm cho sản phẩm có bề mặt khô, nhưng bên trong thì ẩm Vì vậy cần kiểm soát nhiệt độ sấy để tránh chênh lệch ẩm quá cao giữa bên trong và bề mặt sản phẩm Đối với kỹ thuật sấy lạnh hoàn toàn có thể giải quyết được vấn đề này Hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ tương đối thấp cho nên quá trình khô của bề mặt vât liệu sẽ chậm hơn trong khi ẩm được lấy ra nhiều bằng sự chệnh lệch phân áp suất hơi ngoài bề mặt và bên trong vật liệu sấy

Ảnh hường đến mùi vị: Nhiệt độ làm thất thoát các thành phần dễ bay hơi ra khỏi sản phẩm vì vậy phần lớn các sản phẩm sấy bị giảm mùi vị Mức độ thất thoát phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của vật liệu sấy, áp suất hơi nước và độ hòa tan của các chất bay hơi trong nước Nhưng sản phẩm có giá trị kinh tế cao nhờ vào đặc tính mùi vị (như gia vị) cần được sấy ở nhiệt độ thấp Một số sản phẩm có kết cấu xốp tạo điều kiện cho oxi không khí dễ dàng tiếp xúc với sản phẩm, gây ra các phản ứng

oxi hóa chất tan và chất béo trong quá trình bảo quản làm thay đổi mùi vị của sản phẩm Tốc độ của quá trình gây hư hỏng phụ thuộc vào nhiệt độ bảo quản và hoạt độ của nước Phần lớn rau quả chỉ chứa một lượng nhỏ lipit Tuy nhiên, sự oxi hóa các chất béo không no tạo ra các hydroperoxit tham gia vào các phản ứng polime hóa, phản ứng tách nước hoặc oxi hóa để tạo thành aldehit, Kenton và các axit gây mùi ôi khó chịu

Ảnh hưởng đến màu sắc: Có nhiều nguyên nhân gây ra sự mất màu hay thay đổi màu trong sản phẩm sấy, như là:

- Sự thay đổi các đặc trưng bề mặt của sản phẩm gây ra sự thay đổi độ phản xạ ánh sáng và màu sắc

- Nhiệt và sự oxi hóa trong quá trình sấy gây ra những biến đổi hóa học đối với carotenoit và clorophyl, cũng như hoạt động của enzim polyphenoloxidaza gây nên sự sẩm màu trong quá trình bảo quản các sản phẩm rau quả Có thể ngăn ngừa được những thay đổi này bằng các phương pháp chần hấp hoặc xử lý trái cây bằng axit ascorbic hoặc SO2

Ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng: Các số liệu về sự thất thoát các chất dinh dưỡng của các tác giả thường không thống nhất, có thể do sự khác biệt đáng kể trong các quá trình chuẩn bị sấy, nhiệt độ và thời gian sấy, cũng như điều kiện bảo quản Ở rau quả, thất thoát dinh dưỡng trong quá trình chuẩn bị thường vượt xa quá trình sấy Ví dụ, thất thoát vitamin C trong quá trình chuẩn bị táo sấy (dạng khối) là 8% do quá trình cắt gọt, 62% do chần hấp, 10% do quá trình nghiền pu rê và 5% do quá trình sấy Vitamin có độ hòa tan trong nước khác nhau và khi quá trình sấy diễn ra, một vài loại (ví dụ: vitamin B2 riboflavin) đạt trạng thái bão hòa và kết tủa khỏi dung dịch, nhờ vậy chúng ít bị tổn thương Một số khác, ví dụ: axit ascorbic, hòa tan ngay cả khi độ ẩm của sản phẩm hạ xuống đến mức rất thấp, chúng phản ứng với các chất tan với tốc độ càng lúc càng cao hơn trong quá trình sấy Vitamin C cũng rất nhạy cảm với nhiệt và oxy hóa Vì thế để tránh những thất thoát lớn cần sấy trong thời gian ngắn, nhiệt độ thấp, bảo quản ở độ ẩm thấp và nồng độ khí oxi thấp Thiamin (Vit B1) cũng nhạy cảm với nhiệt, tuy nhiên các vitamin khác hòa tan trong nước bền với nhiệt và oxy hóa hơn và tổn thất quá trình sấy hiếm khi vượt quá 5-10%, ngoại trừ thất thoát do quá trình chần hấp Sự tổn thất các vitamin có thể hạn