Đồ án tốt nghiệp Công nghệ kỹ thuật nhiệt: Nghiên cứu động học sấy cà rốt trên máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại

Nguyễn Thành Luân Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt Mã ngành đào tạo: 147 - Nghiên cứu động học sấy cà rốt trên máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại - Chế tạo mô hình thực nghiệm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT NHIỆT

NGUYỄN TẤN TOÀN HUỲNH ĐỨC TÍN PHẠM NGUYỄN HOÀNG HIỆP TRẦN VĂN MẪN

NGUYỄN TRÍ HOÀNG TRẦN GIA HÀO

NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC SẤY CÀ RỐT TRÊN MÁY SẤY CHÂN KHÔNG KẾT HỢP HỒNG NGOẠI

GVHD: ThS NGUYỄN THÀNH LUÂN SVTH: ĐINH XUÂN TRỊNH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH

LỜI CẢM ƠN

Đầu tiên, nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý thầy cô trường Đại học

Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, đã tận tình giảng dạy và truyền đạt cho em những kiến thức quý báu trong suốt quá trình học tập ở trường, nhằm giúp chúng em có được những kiến thức quý giá để có thể hoàn thành đồ án tốt nghiệp

Đặc biệt nhóm tác giả xin gửi lời cảm ơn chân thành đến ThS Nguyễn Thành Luân, giảng viên Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt khoa Cơ khí Động lực Trường Đại Học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh, là người thầy đã tận tình hướng dẫn trực tiếp, chỉ dạy, góp ý cho tác giả trong suốt qua trình để hoàn thành tốt luận văn này

Cảm ơn quý thầy cô bộ môn Ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt của Trường Đại Học

Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh đã nhiệt tình chỉ dạy trong suốt quá trình học

Xin cảm ơn các bạn sinh viên cùng chuyên ngành Công Nghệ Kỹ Thuật Nhiệt khóa

2020, và các anh (chị) khóa trên đã luôn đồng hành giúp đỡ, hỗ trợ tinh thần cho tác giả trong suốt quá trình học tập và thực hiện đồ án tốt nghiệp

Trong quá trình thực hiện đồ án, do kiến thức còn hạn hẹp nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, nhóm tác giả kính mong nhận được sự chỉ bảo và đóng góp ý kiến từ quý thầy cô, để bài luận văn được hoàn thiện hơn

Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn !

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

Họ và tên GV hướng dẫn: ThS Nguyễn Thành Luân

Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt Mã ngành đào tạo: 147

- Nghiên cứu động học sấy cà rốt trên máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại

- Chế tạo mô hình thực nghiệm: máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại

- Xác định các thông số động học bao gồm: đồ thị đường cong sấy, đường cong tốc độ

sấy, hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng của cà rốt

- Kiểm tra hàm lượng Beta-carotene ở chế độ sấy với áp suất hệ thống 7kPa và nhiệt độ

sấy 45 ÷ 65oC

- Xác định mô hình toán mô tả tốt nhất quá trình giảm ẩm của cà rốt sấy khô trên máy

sấy chân không kết hợp hồng ngoại

- Cuốn báo cáo đồ án tốt nghiệp

- Máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại

Tên đề tài: “NGHIÊN CỨU ĐỘNG HỌC SẤY CÀ RỐT TRÊN MÁY SẤY CHÂN

KHÔNG KẾT HỢP HỒNG NGOẠI”

Họ và tên GV hướng dẫn: ThS Nguyễn Thành Luân

1 Đinh Xuân Trịnh 20147348

2 Nguyễn Tấn Toàn 20147345

4 Phạm Nguyễn Hoàng Hiệp 20147263

6 Nguyễn Trí Hoàng 20147265

Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt Mã ngành đào tạo: 147

Ý KIẾN NHẬN XÉT

1 Nhận xét về tinh thần, thái độ làm việc của sinh viên

2 Nhận xét về kết quả thực hiện của ĐATN

2.1.Kết cấu, cách thức trình bày ĐATN:

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KỸ THUẬT TP HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do – Hạnh phúc

KHOA CƠ KHÍ ĐỘNG LỰC

2.2 Nội dung đồ án: (Cơ sở lý luận, tính thực tiễn và khả năng ứng dụng của đồ án, các hướng nghiên cứu có thể tiếp tục phát triển)

2.3.Kết quả đạt được:

2.4 Những tồn tại (nếu có):

Đúng format với đầy đủ cả hình thức và nội dung của các

Mục tiêu, nhiệm vụ, tổng quan của đề tài 10

Khả năng ứng dụng kiến thức toán học, khoa học và kỹ

Khả năng thực hiện/phân tích/tổng hợp/đánh giá 10

Khả năng thiết kế chế tạo một hệ thống, thành phần, hoặc

quy trình đáp ứng yêu cầu đưa ra với những ràng buộc

Khả năng sử dụng công cụ kỹ thuật, phần mềm chuyên

3 Đánh giá về khả năng ứng dụng của đề tài 10

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

Họ và tên GV hướng dẫn: ThS Nguyễn Thành Luân

Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Nhiệt Mã ngành đào tạo: 147

Chủ tịch Hội đồng:……….… ……… Giảng viên hướng dẫn:……… … ……… Giảng viên phản biện:……… …… ………

Tp Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 07 năm 2024

MỤC LỤC

TỪ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU 1

DANH MỤC HÌNH ẢNH 2

DANH MỤC BẢNG 3

MỞ ĐẦU 4

1.Đặt vấn đề 4

2 Mục tiêu của đề tài 4

3 Giới hạn và đối tượng nghiên cứu của đồ án 5

4 Phương pháp nghiên cứu 5

5 Ý nghĩa khoa học 5

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 6

1.1 Tổng quan về vật liệu sấy 6

1.2 Tổng quan về công nghệ sấy 8

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 11

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14

2.1 Lý thuyết về phương pháp sấy chân không kết hợp hồng ngoại 14

2.2 Lý thuyết về sấy lát mỏng và mô hình đường cong sấy lớp mỏng 17

2.3 Cơ sở tính toán thông số động học sấy 20

CHƯƠNG 3 MÔ HÌNH, THỰC NGHIỆM, KẾT LUẬN VÀ BÀN LUẬN 26

3.1 Mô hình thực nghiệm 26

3.2 Bố trí thực nghiệm 29

3.3 Kết luận và bàn luận 30

CHƯƠNG 4 KẾT LUẬN KIẾN NGHỊ 43

4.1 Kết luận 43

4.2 Kiến Nghị 44

PHỤ LỤC 1 CÁC CHI TIẾT CỦA TỦ SẤY 45

PHỤ LỤC 2 SẢN PHẨM SẤY 46

PHỤ LỤC 3 KẾT QUẢ KIỂM TRA HÀM LƯỢNG BETA-CAROTENE 47

PHỤ LỤC 4 CÁC CỤNG CỤ CHẾ TẠO MÔ HÌNH 50

PHỤ LỤC 5 DỮ LIỆU SẤY 51

TÀI LIỆU THAM KHẢO 52

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Hình ảnh nguyên liệu cà rốt 6

Hình 1 2 Công đoạn sấy cà rốt 8

Hình 3.1 Máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại 26

Hình 3.2 Nguyên lý hoạt động sấy chân không kết hợp hồng ngoại 28

Hình 3.3 Kích thước của vật liệu sấy 29

Hình 3.4 Bố trí vật liệu 29

Hình 3.5 Đường cong sấy áp suất 25kPa, nhiệt độ sấy 65°C, 55°C và 45°C 31

Hình 3.6 Đường cong sấy áp suất 15kPa, nhiệt độ sấy 65°C, 55°C và 45°C 31

Hình 3.7 Đường cong sấy áp suất 7kPa, nhiệt độ sấy 65°C, 55°C và 45°C 32

Hình 3.8 Đường cong tốc độ sấy áp suất 7kPa, nhiệt độ 65°C, 55°C, 45°C 33

Hình 3.9 Đường cong tốc độ sấy áp suất 15kPa, nhiệt độ 65°C, 55°C, 45°C 33

Hình 3.10 Đường cong sấy nhiệt độ sấy 65°C và áp suất 7kPa,15kPa,25kPa 34

Hình 3.11 Đường cong tốc độ sấy áp suất 7kPa, nhiệt độ 65°C, 55°C, 45°C 35

Hình 3.12 Đường cong tốc độ áp suất 15kPa, nhiệt độ 65°C, 55°C, 45°C 35

Hình 3.13 Đường cong tốc độ sấy áp suất 25kPa, nhiệt độ 65°C, 55°C, 45°C 36

Hình 3.14 Mô hình sấy tốt nhất 39

Hình 3.15 Hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng ở nhiệt độ 45,55,65 o C và áp suất 7,15,25 kPa 41

Hình 3.16 Đồ thị hàm lượng Beta-carotene có trong cà rốt ở chế độ 7kPa và nhiệt độ 45,55,65 o C 42

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Các mô hình toán được sử dụng cho nghiên cứu động học sấy lát mỏng cà rốt

22

Bảng 3.1 Các thông số kỹ thuật của các dụng cụ chế tạo mô hình sấy chân không hồng ngoại 27

Bảng 3.2 Điều kiện các trường hợp sấy 30

Bảng 3.3 Kết quả xây dựng mô hình toán đối với từng trường hợp sấy 36

Bảng 3.4 Giá trị hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng của cà rốt 44

MỞ ĐẦU

1.Đặt vấn đề

Việt Nam có nguồn nguyên liệu nông sản rất lớn, nên vấn đề bảo quản các nguyên liệu này để phục vụ nhu cầu kinh tế là rất quan trọng, việc sấy các nguyên liệu nông sản giúp bảo quản lâu hơn và làm tăng giá trị của sản phẩm sau khi sấy Trong lĩnh vực sấy,

có nhiều hướng nghiên cứu như: nghiên cứu công nghệ sấy, nghiên cứu động học quá trình sấy, nghiên cứu hiệu quả sử dụng năng lượng, nghiên cứu chất lượng vật liệu, vv Trong đó, nghiên cứu động học sấy là hướng nghiên cứu được nhiều nhà nghiên cứu thực hiện Kết quả các nghiên cứu này cung cấp các dữ liệu tham khảo cho thiết kế và vận hành máy

Trong các công nghệ máy sấy, sấy chân không kết hợp hồng ngoại là công nghệ sấy với ưu điểm vượt trội là hạ thấp điểm sôi của nước, sấy nhiệt độ thấp, ngăn ngừa oxy hóa và ít mất dinh dưỡng, duy trì tốt màu sắc, mùi vị của sản phẩm nên phù hợp khi sấy sản phẩm nhạy cảm với nhiệt độ Đã có nhiều nghiên cứu động học sấy của một số vật liệu trên công nghệ sấy chân không kết hợp hồng ngoại Tuy nhiên, qua nghiên cứu tài liệu, đối với cà rốt sấy khô trên máy sấy chân không hồng ngoại kết hợp chưa được đề cập Do đó chúng em chọn đề tài “Nghiên cứu động học sấy cà rốt trên máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại” để thực hiện cho đồ án tốt nghiệp Kết quả nghiên cứu kỳ vọng cung cấp dữ liệu có thể tham khảo cho thiết kế và vận hành Hơn nữa, kỹ thuật sấy khô là một chuyên ngành trong chương trình học Do đó, thông qua đề tài, chúng em cũng cố thêm kiến thức và tìm hiểu sâu hơn về hướng chủ đề nghiên cứu

2 Mục tiêu của đề tài

- Chế tạo mô hình thực nghiệm: máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại

- Xác định các thông số động học bao gồm: đồ thị đường cong sấy, đường cong tốc độ sấy, hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng của cà rốt

- Kiểm tra hàm lượng Beta-carotene ở chế độ sấy với áp suất hệ thống 7kPa và nhiệt độ sấy 45 ÷ 65oC

- Xác định mô hình toán mô tả tốt nhất quá trình giảm ẩm của cà rốt sấy khô trên máy

sấy chân không kết hợp hồng ngoại

3 Giới hạn và đối tượng nghiên cứu của đồ án

- Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu thông số động học cà rốt cắt lát trên máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại Trong phạm vi nhiệt độ 45, 55, 65oC và áp suất 7kPa, 15kPa, 25kPa

- Giới hạn nghiên cứu của đồ án là cà rốt cắt lát (2±0.3) mm

4 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài này, gồm có những phương pháp như sau:

- Phương pháp tổng quan: Tham khảo các tài liệu trong và ngoài nước để xác định cơ sở

5 Ý nghĩa khoa học

Thông qua nghiên cứu động học sấy để cung cấp dữ liệu động học sấy cà rốt trên máy sấy chân không hồng ngoại để tham khảo và thiết kế máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về vật liệu sấy

Cà rốt [1] có tên khoa học là Daucus carota L Chi cà rốt (danh pháp khoa học là Daucus), là một chi chứa khoảng 20-25 loài cây thân thảo trong họ Hoa tán (Apiaceae), với loài được biết đến nhiều nhất là cà rốt đã thuần dưỡng (Daucus carota phân loài sativus) Chúng có nguồn gốc từ Bắc Phi, Tây Nam Á và Châu Âu với nhiều màu sắc khác nhau như trắng, vàng, đỏ và tím đỏ

Hình 1.1 Nguyên liệu cà rốt

Theo nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước: cà rốt có hàm lượng Beta-carotene nhiều nhất trong các loại thực phẩm Beta-carotene là thẻ hoạt động tích cực nhất của carotene, sắc tố giúp hình thành vitamin A giữ vai trò rất quan trọng đối với cơ thể cũng như kích thích sự tăng trưởng, làm tăng khả năng nhận biết ánh sáng và màu sắc, ngăn ngừa khô da

và mắt, bảo vệ bộ máy tiêu hóa tiết niệu và tăng cường hệ thống, ngăn ngừa nhiễm khuẩn Thiếu vitamin A có thể gây ra các triệu chứng quáng gà, chậm phát triển, khô da, khô mắt Trong cà rốt cũng có chứa nhiều vitamin B, C, D, E và K; canxi, phot-pho, kali, natri, một lượng nhỏ kháng chất và protein

Một củ cà rốt cỡ trung bình có 19 mg canxi, 32 mg photpho, 233 mg kali, 7 mg sinh tố

C, 7 gr carbohydrat, 5 gr đường, 2 gr chất xơ, 1 gr chất đạm, 6.000 mcg sinh tố A, 40 calor, không có chất béo hoặc cholesterol Trong 100 gram cà rốt có 12.000 microgam (mcg)

carotene, có khả năng được chuyển hóa thành 6.000 mcg vitamin A trong cơ thể Trong khi đó thì lượng carotene do 100 gr khoai lang cung cấp là 6.000 mcg, xoài là 1.200 mcg,

đu đủ từ 1.200 – 1500 mcg, cà chua có 600 mcg, bắp cải, su hào có 300 mcg, cam có 50 mcg carotene [2]

Ở Việt Nam, cây cà rốt trồng nhiều ở vùng đất khác nhau nhưng thích hợp nhất là trồng trên đất bazan, đất cát pha, đất thịt nhẹ Hiện nay, sản lượng xuất khẩu nhiều nhất là ở Hải Dương có khoảng 1.500 ha trồng cà rốt, sản lượng khoảng 80.000 tấn Sản lượng cà rốt xuất khẩu ở Hải Dương chiếm 70%, 30% còn lại là tiêu thụ trong nước [3]

Cà rốt là một trong những loại rau củ phổ biến nhất trên thế giới đứng sau khoai tây Trung Quốc là quốc gia đứng đầu về sản lượng cà rốt trên thế giới Theo số liệu thống kê của FAO, sản lượng cà rốt chiếm 34%, đứng sau là Nga, Mỹ chiếm 7%, Ba Lan 4%, Anh 3%, các nước còn lại 45% Năm 1990, sản lượng cà rốt trên thế giới là 13,37 triệu tấn [4] Quá trình sấy cà rốt thành phẩm phải qua các công đoạn như sau:

Xử lý nguyên liệu: Với mục đích loại bỏ những tạp chất Cà rốt khi mua về được rửa sạch các cặn bã bên ngoài bằng nước, sau đó tiến hành cắt bỏ phần lá, gọt vỏ Phần củ đã gọt vỏ được rửa lại bằng nước sạch Quá trình này được thực hiện nhanh để tránh làm mất

đi thành phần dinh dưỡng hoàn tan trong nước của nguyên liệu

Sấy: Làm khô nguyên liệu, đạt độ ẩm mong muốn, kéo dài thời gian bảo quản; tăng giá trị cảm quan cho sản phẩm Mẫu được định lượng vào khay sẽ đem đi sấy Vận hành máy sấy, cài đặt các thông số nhiệt độ, thời gian, cường độ bức xạ Tiến hành sấy mẫu theo từng chế độ khảo sát

Cần lưu ý tới những yếu tố ảnh hưởng đến sản phẩm sấy như là thời gian sấy, chi phí năng lượng phải nằm ở điểm nào hoặc khoảng nào để tối ưu nhất Các thông số này cần được nghiên cứu trong khi thiết kế mô hình sấy kết hợp này, quyết định chất lượng và giá thành sản phẩm

Bao gói: Kéo dài thời gian bảo quản cà rốt sấy, dễ vận chuyển Bao bì PP, PE được sử dụng Sản phẩm sau khi sấy được đem đi đóng gói chân không Tùy theo yêu cầu bảo quản lâu hay ngắn mà chọn bao bì hai lớp PE hay PP Bao bì sản phẩm sấy phải kín hoàn toàn,

có màu sẫm tối nhằm tránh ánh sáng tiếp xúc với sản phẩm ảnh hưởng tới sự thay đổi màu

của sản phẩm Sản phẩm phải được bảo quản nơi khô ráo, tránh tiếp xúc với các chất oxy hóa để hạn chế sự biến tính của sản phẩm và kéo dài thời gian bảo quản

Hình 1 2 Công đoạn sấy cà rốt

1.2 Tổng quan về công nghệ sấy

Phương pháp sấy chia ra thành 2 loại lớn là sấy tự nhiên và sấy nhân tạo

Sấy tự nhiên [5] là phương pháp được tiến hành bằng cách sử dụng nhiệt bức xạ từ mặt trời để nung nóng không khí và ẩm trong vật liệu sẽ bay hơi thoát ra môi trường bên ngoài Phương pháp này đỡ tốn nhiệt năng nhưng không chủ động điều chỉnh được vận tốc của quá trình theo kỹ thuật yêu cầu, năng suất thấp

Phương pháp sấy tự nhiên có ưu điểm: Đơn giản, không tốn tiền đầu tư vào công nghệ tiên tiến, chi phí năng lượng thấp, không đòi hỏi trình độ công nhân, có thể sấy lượng lớn vào một mùa, bề mặt trao đổi nhiệt lớn Tuy vậy sấy tự nhiên có những nhược điểm: Khó kiểm soát điều kiện sấy vì phụ thuộc chủ yếu vào thời tiết, tốc độ sấy thấp, chất lượng sản phẩm không đồng đều vì phụ thuộc vào mật độ bức xạ từng giờ của mặt trời, sản phẩm không đáp ứng đủ nhu cầu trên thị trường, dễ bám bẩn do bụi, bị các con vật làm bẩn hoặc

bị vi sinh vật phá hoại và có thể còn vi khuẩn

Sấy nhân tạo [6] là phương pháp sấy khô được tiến hành bằng máy sấy để cung cấp nhiệt cho nông sản

Chọn nguyên liệu

Xử lý nguyên liệu

Sấy

Đóng gói

Sấy đối lưu là dùng không khí nóng tuần hoàn hoặc khói lò làm tác nhân sấy có nhiệt

độ, độ ẩm, tốc độ phù hợp, chuyển động chảy trùm lên vật sấy làm cho ẩm (nước) trong vật sấy bay hơi rồi đi theo tác nhân sấy Thiết bị sấy đối lưu đơn giản dễ vận hành, có thể điều chỉnh điều kiện sấy, thời gian sấy rút ngắn so với sấy tự nhiên, tránh được các tác nhân gây hại từ môi trường, sản phẩm ổn định và chất lượng cao hơn sấy phương pháp tự nhiên Nhưng cấu trúc sản phẩm sau khi sấy dễ bị phá vỡ như là màu sắc ban đầu của sản phẩm

bị mất đi, hình dáng bị biến dạng, hoặc không còn giữ được mùi vị ban đầu vốn có của sản phẩm Các vitamin, khoáng chất trong sản phẩm bị mất đi Chi phí tiêu tốn năng lượng cao hơn

Sấy tiếp xúc là vật liệu sấy nhận nhiệt bằng cách tiếp xúc trực tiếp với bề mặt gia nhiệt

Bề mặt gia nhiệt là chất rắn (vách phẳng, vách trụ…) Chất tải nhiệt (hơi nóng hoặc khói lò) chuyển động ở phía bên kia của vách Phía còn lại của vách tiếp xúc trực tiếp với vật liệu sấy Sấy tiếp xúc có cường độ bay hơi ẩm cao chính vì vậy mà thời gian sấy khô được rút ngắn, các bề mặt sản phẩm sấy được gia nhiệt đều đặn hơn Tuy nhiên hơi ẩm cùng các chất khí có hại làm ô nhiễm môi trường làm việc trong phân xưởng

Sấy bằng dòng điện cao tần là phương pháp sấy dùng năng lượng điện trường có tần

số cao để đốt nóng trên toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu Sấy dùng điện trường dòng cao tần có thể cho phép điều chỉnh nhiệt độ bên trong vật và duy trì ở mức độ thích hợp không phụ thuộc nhiệt độ bề mặt vật Có thể sấy tất cả mọi vật kể cả gỗ hoặc sứ, đất nung Vật liệu sấy bằng điện trường dòng cao tần sẽ được rút ngắn thời gian nhiều hơn, giữ được mùi

vị ban đầu, màu sắc, và vitamin của sản phẩm Sấy dùng điện trường dòng cao tần tiêu hao năng lượng lớn (2.5 đến 5 kWh/kg ẩm) Việc sử dụng dòng điện lớn có thể gây ra hỏa hoạn

vì sự quá tải Chi phí để xây dựng thiết bị sấy này rất cao Vận hành máy cần có người thợ

có trình độ lành nghề, hiểu rõ về thiết bị để tránh sai xót khi vận hành máy

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 đọng sương Sản phẩm sấy thân thiện với môi trường, giữ được màu sắc ban đầu, không làm mất đi vitamin, khoáng chất trong sản phẩm Thời gian sấy được coi là tương đối nhanh Năng lượng điện tiêu tốn ít hơn so với dùng điện trở sấy Thiết bị có giá thành cao, phải bảo dưỡng định kì để tránh các tác nhân gây hại cho sản phẩm Lệ thuộc đội ngũ

kỹ thuật chuyên môn khi có sự cố hư hỏng Sản phẩm chỉ sấy ở nhiệt độ trung bình hoặc thấp

Sấy thăng hoa là quá trình tách nước ra khỏi sản phẩm từ thể rắn sang thể hơi trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp, dưới điểm kết tinh của độ ẩm trong sản phẩm (Tk <0oC,

áp suất dưới 4,58 mmHg) hay còn gọi là điểm ba thể O (0,0098oC; 4,58 mmHg) Sấy thăng hoa giữ được chất lượng của sản phẩm như màu sắc, cấu trúc, hương vị sau khi sấy của sản phẩm Thời gian sử dụng lâu Giá thành thiết bị cao Vận hành thiết bị cần có thợ chuyên môn cao, hiểu sâu về thiết bị để tránh sai xót Thiết bị tiêu thụ điện năng lớn làm tốn tiền điện nhiều hơn Thiết bị sẽ khó làm buồng kín chân không

Sấy hồng ngoại là phương pháp dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn nhiệt phát ra truyền cho vật liệu sấy Trong phương pháp này việc gia nhiệt cho vật ẩm thực hiện bằng trao đổi nhiệt bức xạ Người ta dùng đèn hồng ngoại để bức xạ nhiệt tới vật ẩm Trường hợp này môi chất sấy không làm nhiệm vụ gia nhiệt cho vật ẩm Sấy hồng ngoại thích hợp với các sản phẩm cắt lát, mỏng như là bánh tráng, rau củ cắt lát rất nhanh Nên

là thời gian sấy sẽ được rút ngắn, tiết kiệm nhiều chi phí cho mỗi thành phẩm Thiết bị đơn giản nên dễ điều chỉnh, dễ sử dụng, ít tổn thất nhiệt Chất lượng sản phẩm sau khi sấy sẽ không thay đổi đối với các sản phẩm sấy là thực phẩm, trái cây, hải sản và đồ ăn được Tia hồng ngoại có thể tiêu diệt và tiệt trùng các vi khuẩn có trong sản phẩm chính vì vậy mà sản phẩm rất an toàn khi sấy bằng phương pháp này Sấy bằng tia hồng ngoại có thiết bị giá thành cao và tốn nhiều năng lượng Chính vì vậy chi phí về hai khoảng này sẽ cao Do sấy nhanh trên bề mặt nên nhiệt truyền sâu vào trong vật liệu chậm hơn, nên ít thích hợp

để sấy các loại vật liệu dày Vật liệu được đốt nóng không đều do sấy nhanh trên bề mặt, nhiệt truyền sâu vào bề mặt chậm hơn, không thích hợp để sấy các loại vật liệu dày

Sấy chân không là phương pháp sấy trong môi trường áp suất trong buồng sấy thấp hơn áp suất khí quyển hoặc gần như chân không Vật sấy được đưa vào buồng kín, sau đó

sử dụng máy bơm chân không để tạo môi trường chân không Môi trường chân không mà chúng ta tạo ra thì áp suất rất nhỏ Ở môi trường áp suất nhỏ nước sẽ sôi ở nhiệt độ rất thấp khoảng 30 - 40⁰C Khi nước sôi đồng nghĩa với sự bốc hơi nước diễn ra rất nhanh làm cho vật sấy khô nhanh hơn với sấy nhiệt thông thường

Sấy chân không có hai loại là sấy chân không nhiệt độ thường và sấy chân không nhiệt

độ thấp

Thiết bị sấy chân không sử dụng cách thải ẩm bằng máy hút chân không, cấp nhiệt cho vật liệu sấy bằng bức xạ hay dẫn nhiệt Có thể tiến hành sấy ở nhiệt độ thấp, sau khi sấy sản phẩm giữ được màu sắc, hương vị hình dáng, Sấy bằng phương pháp này có thể kéo dài thời gian bảo quản, ít bị đe dọa bởi các tác nhân bên ngoài Thời gian sấy nhanh chóng Thiết bị sấy chân không chỉ áp dụng đối với quy mô nhỏ, mẫu quý hiếm Đảm bảo chất lượng sản phẩm cao Giá thành của thiết bị cao Hệ thống phức tạp cần có đội ngũ tay nghề cao, khó đảm bảo độ kín cho hệ thống chân không lớn Hiện nay thiết bị sấy chân không chưa phổ biến bằng các phương pháp khác

1.3 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Ngoài nước: Trong các loại phương pháp sấy như sấy chân không, sấy hồng ngoại, sấy bằng điện trở sấy đều là những phương pháp làm khô sản phẩm với thời gian nhanh chóng Mỗi phương pháp có ưu điểm riêng như giữ được chất lượng của sản phẩm như lúc ban đầu trước khi sấy, không làm mất hoạt chất có trong sản phẩm Chính vì thế hiện nay có rất nhiều mô hình sấy kết hợp những ưu điểm này lại với nhau sinh ra một mô hình sấy có

ưu điểm vượt trội hơn so với mô hình một phương pháp sấy Một trong số đó chính là phương pháp sấy chân không kết hợp hồng ngoại Phương pháp sấy chân không kết hợp hồng ngoại là phương pháp tương đối hiệu quả trong việc làm khô sản phẩm mà vẫn giữ được chất lượng sản phẩm như ban đầu và thời gian sấy được rút ngắn, chính vì vậy mà phương pháp sấy kết hợp này được áp dụng rất nhiều trong các nghiên cứu của nước ngoài, điển hình như các bài báo như:

Emad Aidani và cộng sự [7] nghiên cứu sấy kiwi bằng máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng nếu áp suất giảm thì thời gian sấy sẽ giảm, các khoáng chất, màu sắc, vitamin của kiwi vẫn giữ được như ban đầu sau khi sấy Chatchai Nimmol [8] nghiên cứu sấy chân không kết hợp hồng ngoại lên các loại nông sản như: cà rốt, chuối, cà chua, chanh, Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng sản phẩm sấy bằng phương pháp sấy chân không kết hợp hồng ngoại có chất lượng tốt hơn sản phẩm sấy bằng phương pháp đối lưu Fakhreddin Salehi và cộng sự [9] nghiên cứu về mô hình động học sấy và sự thay đổi màu sắc trên bề mặt lát chanh trong quá trình sấy chân không kết hợp hồng ngoại

Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng màu sắc và các hoạt chất của lát chanh vẫn được giữ nguyên sau khi sấy Yefri Chan và cộng sự [10] nghiên cứu sấy gỗ sengon sử dụng máy sấy hồng ngoại kết hợp không khí nóng hồng ngoại Nghiên cứu nhằm xác định đặc tính nhiệt của

gỗ sengon do sấy khô ở nhiệt độ 70, 80 và 90℃ với vận tốc không khí 1 và 3 m/s bằng phương pháp hồng ngoại và kết hợp không khí nóng hồng ngoại Kết quả chỉ ra rằng sấy kết hợp hồng ngoại và không khí nóng hồng ngoại có nhiệt độ phân bổ đều trên sản phẩm

và thời gian sấy được rút ngắn hơn so với phương pháp hồng ngoại Seyed Mahdi Seedain Ardabili [11] và cộng sự nghiên cứu sấy lát bí ngô bằng máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại, kết quả chỉ ra rằng sự gia tăng hồng ngoại làm mất đi màu sắc ban đầu của bí ngô, điều kiện tối ưu để giữ được hàm lượng vitamin trong lát bí ngô là công suất, 238W, áp suất, 5 kPa và độ dày lát cắt 5mm Zhang Wei-Peng và cộng sự [12] nghiên cứu thiết kế và đánh giá hiệu suất của hệ thống sấy hồng ngoại chân không xung PVID quy mô thí điểm

để sấy quả mọng Kết quả chỉ ra rằng nhiệt độ gia nhiệt tối ưu cho nho và quả kỷ tử là gia nhiệt hồng ngoại ở 65℃, thời gian chân không là 15 phút và thời gian trong khí quyển lần lượt là 4 và 2 phút Thời gian sấy tương ứng là gần 720 phút đối với nho và 450 phút đối với quả kỷ tử Và đối với xung PVID thì cho màu sắc của hai loại quả nho và kỷ tử hấp dẫn hơn nhiều so với sấy nóng bình thường Mohammad Hashem Alizehi và cộng sự [13] nghiên cứu mô hình hóa quá trình hydrat hóa thẩm thấu có sự hỗ trợ của chân không và siêu âm với cà rốt, sau đó là sấy khô bằng tia hồng ngoại và vòi phun kết hợp bằng cách sử dụng mạng lưới thần kinh nhân tạo và mô hình hồi quy Kết quả chỉ ra rằng việc sử dụng phương pháp thẩm thấu nước kết hợp với siêu âm và chân không có thời gian sấy khô ngắn hơn so với những phương pháp chỉ xử lý bằng phương pháp khử nước thẩm thấu Tổng hàm lượng carotenoid cao nhất và độ chênh lệch thấp nhất thuộc về các mẫu tiếp xúc với phương pháp thẩm thấu nước kết hợp với siêu âm và chân không Mô hình mạng nơ-ron nhân tạo có thể cung cấp dự đoán đáng tin cậy hơn các mô hình khác

Trong nước: Từ các nghiên cứu trên, máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại đã được nghiên cứu, tuy nhiên ở Việt Nam vẫn còn hạn chế Mô hình sấy ở Việt Nam chủ yếu với các mô hình máy sấy hồng ngoại kết hợp bơm nhiệt, hồng ngoại kết hợp đối lưu, vv

[14] Phúc và cộng sự nghiên cứu chế tạo thiết bị sấy thủy sản sử dụng thanh gốm hồng ngoại kết hợp đối lưu Kết quả nghiên cứu đã chế tạo thành công thiết bị sấy, và vẫn giữ

được chất lượng của sản phẩm sau khi sấy [15] Thủy (2012), nghiên cứu chế độ sấy hành

lá bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng thời gian sấy giảm nhờ việc tăng quá trình khuếch tán từ đó giữ được hàm lượng vitamin cao, màu sắc tự nhiên của nguyên liệu ít bị biến đổi, duy trì được mùi thơm đặc trưng [16] Chính và cộng sự nghiên cứu chế tạo máy sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại để sấy nông sản và thủy sản Nghiên cứu đã thực nghiệm lên tôm thẻ và lát bơ Kết quả chỉ ra rằng thời gian sấy khoảng 2.73 giờ cho chất lượng tốt nhất và năng suất cao nhất đối với tôm thẻ và lát bơ [17] Trang, nghiên cứu công nghệ sấy cà rốt bằng bức xạ hồng ngoại Kết quả chỉ ra rằng chất lượng của sản phẩm sau khi sấy vẫn được, giá trị cảm quan tốt, quá trình sấy giúp độ ẩm sản phẩm giảm đáng kể, tăng khả năng bảo quản thực phẩm [18] Ánh

và cộng sự nghiên cứu tối ưu hóa công nghệ sấy cá lóc Channa Maculata bằng phương pháp sấy phối hợp bơm nhiệt và bức xạ hồng ngoại Kết quả chỉ ra rằng điều kiện sấy tối

ưu ở nhiệt độ 57,5oC, thời gian sấy là 8,27 giờ Cá lóc khô ở điều kiện tối ưu vẫn giữ được giá trị cảm quan, chất lượng sản phẩm vẫn giữ được sau khi sấy [19] Hà và cộng sự nghiên cứu tối ưu hóa điều kiện sấy bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại trên nguyên liệu cá kèo, kết quả chỉ ra rằng điều kiện sấy tối ưu nhất là ở nhiệt độ 56oC, thời gian sấy sấy 5,7 giờ, các sản phẩm sau khi sấy vẫn giữ được giá trị cảm quan, dinh dưỡng có trong sản phẩm sau khi sấy vẫn được đảm bảo [20] Thi và cộng sự nghiên cứu quá trình tối ưu hóa sấy rong nho sử dụng bức xạ hồng ngoại ở nhiệt độ thấp, kết quả chỉ ra rằng điều kiện sấy tối

ưu hóa là nhiệt độ sấy 44oC, độ dày nguyên liệu là 1,8cm Rong biển sau khi sấy vẫn giữ được chất lượng sản phẩm, màu sắc và các hoạt chất trong sản phẩm không bị mất đi Tóm lại từ các nghiên cứu trên, máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại đã được nghiên cứu nhưng lại không được phổ biến Chính vì vậy mà chọn đề tài “Nghiên cứu động học sấy cà rốt trên máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại” với kỳ vọng cung cấp dữ liệu tính toán đề hình thành mô hình máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại và thuận lợi trong việc vận hành máy

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết về phương pháp sấy chân không kết hợp hồng ngoại

Bức xạ là hiện tượng truyền năng lượng của vật thể thông qua sóng điện từ Sóng điện

từ chiếu đến các vật, một phần bị hấp thụ và biến đổi thành nhiệt năng Do phương pháp kích thích khác nhau, bước sóng điện từ sản sinh cũng khác nhau, hiệu ứng chiếu xạ của

nó lên vật thể cũng khác nhau Bước sóng của sóng điện từ phát ra rất rộng nhưng trong đó chỉ có những sóng điện từ có bước sóng 0,1 - 100 μm mới có hiệu ứng về nhiệt rõ ràng nên các tia này được gọi là các tia nhiệt Độ dài khoảng bước sóng của tia hồng ngoại λ > 0,76

μm [21]

Việc truyền bức xạ điện từ không cần môi trường để truyền nó Phổ bước sóng của bức

xạ phụ thuộc vào bản chất và nhiệt độ của nguồn nhiệt Mọi vật thể đều phát ra bức xạ do mức nhiệt độ của nó, được gọi là ''bức xạ nhiệt'' vì nó tạo ra nhiệt Bức xạ hồng ngoại là năng lượng điện từ được phân loại thành hồng ngoại bước sóng ngắn, bước sóng trung bình

và bước sóng dài, với bước sóng ngắn cung cấp năng lượng cao nhất và bước sóng dài có mức năng lượng thấp nhất [22] Theo quy định của Hiệp hội chiếu sáng quốc tế quy định [21]: Bước sóng λ = 0,76 - 1,4 μm được gọi là tia hồng ngoại ngắn (tia hồng ngoại bước sóng ngắn), λ = 1,4 - 3,0 μm gọi là trung hồng ngoại (tia hồng ngoại bước sóng trung bình)

và λ = 3 - 1000 μm được gọi là tia viễn hồng ngoại (tia hồng ngoại bước sóng dài)

Vật thể tạo ra nhiệt độ càng cao thì bước sóng năng lượng của nó càng ngắn, dẫn đến năng lượng tỏa ra càng cao Ví dụ, mặt trời phát ra tia hồng ngoại sóng ngắn vì loại bức xạ này chứa nhiều năng lượng nhất Đèn hồng ngoại sử sụng bước sóng ngắn có thể hoạt động

ở nhiệt độ lên tới 2200°C, nó có thể đạt được nhiệt độ tối đa một cách nhanh chóng Đèn hồng ngoại sử dụng bước sóng trung bình có thể lên tới nhiệt độ 900°C và đèn hồng ngoại

có bước sóng dài được làm nóng tới 300°C

Khi bức xạ hồng ngoại được sử dụng để làm khô hoặc làm nóng vật liệu, nó sẽ được vật liệu rắn ở lớp bề mặt hấp thụ Tuy nhiên, bức xạ xuyên qua một độ sâu nào đó trong các vật liệu ẩm thì khả năng truyền tải của chúng phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu Tia bức xạ này có thể thâm nhập vào chiều sâu vật thể từ 3 đến 5 mm, vì vậy ở chiều sâu này nhiệt độ bên trong vật lớn hơn nhiệt độ bề mặt vật thể giúp gia tăng dòng ẩm thoát ra từ

vật Vì vậy, sấy bức xạ bằng tia hồng ngoại rất hiệu quả với các vật liệu mỏng (chiều dày nhỏ hơn 10 - 12 mm) [23]

Bức xạ nhiệt tới vật có thể bị hấp thụ và năng lượng của nó chuyển thành nhiệt, phản

xạ từ bề mặt hoặc truyền qua vật liệu theo sự cân bằng [22]:

độ của nước tăng lên, làm cắt đứt các liên kết giữa các phân tử nước và giữa phân tử nước với các hợp chất hữu cơ Từ đó, nước từ lỏng chuyển sang thể hơi và bốc hơi theo chiều ly tâm ở bên trong vật liệu ẩm ra ngoài

Các loại vật liệu ẩm được tạo nên từ nước và các hợp chất hữu cơ và mỗi thành phần của thực phẩm sẽ hấp thụ phạm vi bước sóng cụ thể Nước ở trạng thái lỏng có bốn dải hấp thụ chính ở 3, 4, 7, 6 và 15,3 μm [24] Axit amin, axit nucleic và protein có hai dải hấp thụ mạnh tập trung ở 3 - 4 μm và 6 - 9 μm [25, 26] Đường tạo ra hai dải hấp thụ mạnh trên phổ bức xạ hồng ngoại nằm ở 3 μm và 7 - 10 μm [27] Lipid có ba dải hấp thụ mạnh tập trung ở 3 - 4 μm, 6 μm và 9 - 10 μm [28, 29] Phổ hấp thụ hồng ngoại rộng làm cho nó trở thành phương pháp thích hợp để sấy khô nguyên liệu thực phẩm

Nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm việc phát triển các phương pháp sấy mới và hiện đại là việc rất quan trọng Trong đó, phương pháp sấy chân không là một trong những phương pháp sấy có thể tạo ra sản phẩm sấy có chất lượng tốt nhất Chất lượng thực phẩm sấy khô trong chân không cao hơn so với khi sử dụng các phương pháp khác do hạn chế oxy có mặt trong quá trình sấy, đây là nguyên nhân chính giúp giảm các phản ứng không

mong muốn trong thực phẩm [30] Các vật liệu nhạy cảm với nhiệt có thể được sấy khô trong chân không vì nhiệt độ của hệ thống được duy trì không quá cao Trong quá trình thực nghiệm ở máy sấy này, nhiệt độ trong buồng được kiểm soát không quá 65°C

Cơ chế sấy khô vật liệu ẩm bằng phương pháp sấy chân không: Dưới tác động của môi trường có áp suất thấp, nhiệt độ sôi của nước sẽ hạ thấp điều này giúp cho quá trình bốc hơi ẩm của vật liệu sấy diễn ra nhanh hơn Lúc này, vật liệu được sấy khô sẽ khô nhanh hơn nhiều so với bình thường Nếu vật liệu sấy không được đốt nóng, do đó pv (phân áp suất của hơi nước trong lòng vật) không đổi nhưng tìm cách để giảm ph (phân áp suất hơi nước của môi trường xung quanh) thì quá trình sấy vẫn xảy ra với động lực (pv – ph) Đây

là cơ sở của phương pháp sấy chân không [31]

Máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại đặc biệt phù hợp đối với sản phẩm dạng lớp mỏng và lát vì nó có bề mặt mặt tiếp xúc bức xạ lớn Khi sử dụng bức xạ hồng ngoại để sấy khô, quá trình gia nhiệt sản phẩm được thực hiện mà không có những thay đổi không mong muốn về cấu trúc, do đó chất lượng cấu trúc của sản phẩm được cải thiện, hiệu suất sinh học tăng lên và chi phí vận hành giảm [32] Một ưu điểm khác của sấy này là giảm thiểu thất thoát sản phẩm Ngoài ra, bức xạ hồng ngoại gây ra sự tập trung nhiệt nhanh và trực tiếp lên vật liệu so với máy sấy đối lưu trong đó một phần nhiệt được hấp thụ bởi không khí vào và bị lãng phí Phương pháp sấy hồng ngoại trên thực tế đã được phát triển

để đạt được tốc độ sấy cao mà ít có nguy cơ làm cháy vật liệu [33] Sự kết hợp giữa bức xạ hồng ngọai và chân không có thể mang lại phương pháp sấy lớp mỏng nhanh chóng và chất lượng [34]

Bức xạ hồng ngoại có lợi thế đáng kể so với sấy thông thường [35] Trong số những

ưu điểm này là tốc độ sấy cao hơn giúp tiết kiệm năng lượng đáng kể và phân bổ nhiệt độ đồng đều mang lại sản phẩm có chất lượng tốt hơn Vì vậy, nó có thể được sử dụng như một phương pháp sấy tiết kiệm năng lượng [36] Trong máy sấy này, đèn hồng ngoại được

sử dụng để gia nhiệt cho vật liệu và ẩm từ vật liệu sấy thoát ra môi trường xung quanh sẽ được bơm chân không hút ra khỏi buồng sấy và để nó gặp ít lực cản hơn đồng thời tránh bão hòa ẩm trên bề mặt vật liệu Trong phương pháp sấy chân không do thiếu oxy trong môi trường máy sấy và giảm các phản ứng không mong muốn trong thực phẩm nên chất lượng và màu sắc thực phẩm sấy khô theo phương pháp này cao hơn các phương pháp khác

[37] Để sấy khô trong chân không (hoặc sấy chân không), hơi ẩm trong sản phẩm được sấy khô sẽ bay hơi ở nhiệt độ thấp hơn mang lại chất lượng sản phẩm tốt hơn, đặc biệt thích hợp trong trường hợp thực phẩm hoặc nông sản có bản chất nhạy cảm với nhiệt Khi kết hợp ưu điểm của hai phương pháp, hiệu quả sử dụng năng lượng của quá trình sấy được nâng cao và chất lượng sản phẩm sấy khô cũng tăng lên [35]

Mặc dù sấy hồng ngoại đã cho thấy những ưu điểm to lớn về hiệu quả năng lượng và tiết kiệm thời gian nhưng nó cũng có những hạn chế nhất định Bức xạ hồng ngoại có độ sâu thâm nhập thấp [38, 39, 40] Để áp dụng công nghệ sấy vật liệu dày và nhiều phải kết hợp hay sử dụng các phương pháp sấy khác Nếu nguyên liệu thực phẩm được sấy khô thành nhiều lớp, sấy hồng ngoại sẽ dẫn đến sấy khô không đồng đều nếu nguyên liệu không được khuấy trộn liên tục Trong trường hợp này, lớp vật liệu chịu tác động trực tiếp của bức xạ hồng ngoại sẽ khô nhanh hơn và phơi nhiễm kéo dài có thể dẫn đến cháy thành than hoặc cháy Một số nghiên cứu cũng đã báo cáo tác động bất lợi của nhiệt độ hay cường độ cao và thời gian tiếp xúc với bức xạ hồng ngoại lâu đối với màu sắc của sản phẩm sấy khô [41] Do đó, việc tối ưu hóa cường độ hoặc nhiệt độ bức xạ hồng là một việc làm quan trọng Bước sóng hồng ngoại phải được sử dụng cần phải rất cụ thể, vì mỗi thành phần thực phẩm có một dải hấp thụ bức xạ hồng ngoại riêng

Ở thiết bị sấy chân không kết hợp hồng ngoại này được nghiên cứu và chế tạo ở quy

mô nhỏ, sử dụng nhằm mục đích thí nghiệm, chi phí đầu tư ban đầu cao (chi phí về bơm chân không, chế tạo buồng sấy)

Trên đây là hai phương pháp sấy được ứng dụng cho sấy cà rốt trên máy sấy chân không kết hợp hồng ngoại Việc nghiên cứu động học sấy cà rốt trên máy này có sử dụng các mô hình sấy lớp mỏng Những mô hình này được sử dụng để mô tả quá trình sấy khô, ước tính thời gian sấy của một số sản phẩm trong các điều kiện sấy khác nhau cũng như để khái quát hóa các đường cong sấy cho việc thiết kế và vận hành máy sấy Một số nhà nghiên cứu đã đề xuất nhiều mô hình toán học để sấy lớp mỏng nhiều sản phẩm nông nghiệp Trong nghiên cứu này đưa ra các mô hình sấy lớp mỏng bán lý thuyết và thực nghiệm khác nhau được sử dụng và đánh giá các tiêu chí để xác định mô hình phù hợp

2.2 Lý thuyết về sấy lát mỏng và mô hình đường cong sấy lớp mỏng

Sấy khô được coi là một hoạt động quan trọng nhằm làm khô các vật ẩm bằng cách loại bỏ độ ẩm và giảm độ ẩm của chúng xuống mức mong muốn thông qua sự khuếch tán trong cơ thể và bay hơi khỏi bề mặt Đồng thời, nó được biết đến như một trong những hình thức bảo quản thực phẩm lâu đời nhất và phổ biến nhất Việc sử dụng các phương pháp sấy, qua nhiều thế kỷ, đã được mở rộng sang nhiều lĩnh vực khác nhau Điều hết sức quan trọng là phát triển các mô hình thích hợp để nghiên cứu hoạt động của các quá trình sấy và hiện tượng của chúng, bao gồm khuếch tán và bay hơi ẩm [42]

Các mô hình được phát triển trong nghiên cứu này được sử dụng để thiết kế các hệ thống sấy mới cũng như lựa chọn các điều kiện sấy tối ưu và dự đoán chính xác các hiện tượng truyền nhiệt và khối đồng thời trong quá trình sấy Dựa trên dữ liệu thực nghiệm lấy

từ thí nghiệm sấy lớp mỏng, mô hình đường cong sấy lớp mỏng có thể được áp dụng trong hai trường hợp Trường hợp một: một sản phẩm (mẫu) riêng lẻ tiếp xúc với không khí hoặc một lớp hạt Trường hợp hai: nhiều lớp có nhiều độ dày hạt nếu nhiệt độ và độ ẩm tương đối của không khí sấy có thể được áp dụng để tính toán quá trình sấy ở cùng trạng thái nhiệt động tại bất kỳ thời điểm nào của quá trình sấy khô [42] ASABE mô tả “lớp mỏng”

là lớp vật liệu tiếp xúc hoàn toàn với luồng không khí trong quá trình sấy khô và độ dày của lớp phải đồng đều và không vượt quá ba lớp hạt [43] Trong máy sấy này, lớp vật liệu tiếp xúc trực tiếp với bức xạ hồng ngoại trong quá trình sấy khô gần như là như nhau, độ dày tất cả các lát cắt cà rốt khoảng 2 mm, và bố trí cà rốt đồng đều trên một khay sấy (chỉ

có một khay sấy trong buồng trong suốt quá trình thí nghiệm) Các mô hình toán học như vậy dường như là công cụ hữu ích để dự đoán động học sấy của các vật liệu có nguồn gốc sinh học nhạy cảm với nhiệt [44] Các đường cong sấy có thể được xử lý về tốc độ sấy để tìm ra mô hình thuận tiện nhất cho quá trình sấy trong các điều kiện nhất định [45] Nguyên tắc của mô hình hóa dựa trên việc có một tập hợp các phương trình toán học đủ chi tiết và đơn giản để chúng có thể mô tả đầy đủ đặc tính của hệ thống [46] Các phương trình lớp mỏng đã được sử dụng để ước tính thời gian sấy của một số sản phẩm và để khái quát hóa các đường cong sấy Trong quá trình phát triển các mô hình sấy lớp mỏng cho nông sản,

độ ẩm của vật liệu tại bất kỳ thời điểm nào sau khi nó được đặt trong điều kiện nhiệt độ và

độ ẩm tương đối không đổi thường được đo và tương quan với các thông số sấy [42]

Ngoài ra, bắt buộc phải lựa chọn và đánh giá kỹ thuật sấy phù hợp cho một sản phẩm

cụ thể Các quy trình này giúp chúng ta hiểu được liệu sản phẩm chất lượng cao có được tạo ra trong quá trình sấy lớp mỏng hay không và liệu hiệu quả của hệ thống sấy lớp mỏng

có tăng lên hay không Mặc dù các nghiên cứu mô hình hóa trong sấy lớp mỏng rất quan trọng nhưng không có mô hình lý thuyết nào vừa thực tế vừa có thể thống nhất các tính toán Do đó, các nghiên cứu thực nghiệm rất quan trọng trong sấy lớp mỏng và các phương trình sấy lớp mỏng là công cụ quan trọng trong mô hình toán học của sấy Chúng phải có tính thực tế và cho kết quả đủ tốt [47]

Đối với mỗi máy sấy, các điều kiện của quy trình chẳng hạn như nhiệt độ buồng sấy,

áp suất, tốc độ không khí, độ ẩm tương đối và thời gian lưu sản phẩm phải được xác định theo nguyên liệu, sản phẩm, mục đích và phương pháp [47] Xem xét tất cả các thông số này, người thiết kế muốn thiết lập và chế tạo máy sấy lớp mỏng nên tính đến các kết quả thực nghiệm thu được từ các thí nghiệm lớp mỏng Theo đó, điều này sẽ giúp cải thiện hiệu suất của máy sấy lớp mỏng và tăng hiệu quả của quá trình sấy lớp mỏng đồng thời giảm thiểu các tác động có hại làm giảm chất lượng sản phẩm cũng như tính chất sấy của quy trình Cần nhấn mạnh rằng dữ liệu thực nghiệm được thu thập không chính xác từ các thí nghiệm sấy lớp mỏng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất và hiệu quả quy trình của hệ thống cũng như việc lựa chọn mô hình tốt nhất để mô tả quá trình sấy lớp mỏng Việc lựa chọn mô hình tốt nhất là một quy trình rất quan trọng mô tả hoạt động của quá trình sấy lớp mỏng Tuy nhiên, trước khi lựa chọn mô hình tốt nhất, chúng ta nên thực hiện các nghiên cứu thực nghiệm một cách chính xác và cũng như đo lường chính xác các thông số bằng cách sử dụng các thiết bị có độ chính xác cao và thu thập dữ liệu thực nghiệm một cách đáng tin cậy Trước khi các nhà nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực nghiệm để tính toán các tham số trong mô hình đường cong sấy lớp mỏng, họ nên kiểm tra dữ liệu thô về mặt phân tích độ không đảm bảo Người ta quan sát thấy rằng hầu hết các nhà nghiên cứu trong lĩnh vực công nghệ sấy khô đã không áp dụng phân tích độ không đảm bảo cho các nghiên cứu thực nghiệm của họ Đây là một thiếu sót thực sự quan trọng trong việc mô hình hóa và phân tích các quy trình sấy lớp mỏng Theo đó, phân tích không đảm bảo cần được xem xét không chỉ trong mô hình hóa và phân tích các quy trình sấy lớp mỏng mà còn trong việc thiết kế và thực hiện phân tích chi phí của máy sấy lớp mỏng [42]

Người ta lưu ý chung rằng, khi đánh giá so sánh ưu điểm và nhược điểm của mô hình sấy lớp mỏng, các mô hình đường cong được sử dụng cho sấy lớp mỏng chủ yếu là loại lý thuyết, bán lý thuyết và thực nghiệm Các mô hình lý thuyết được sử dụng rộng rãi nhất đều bắt nguồn từ định luật thứ hai của Fick Tương tự, các mô hình bán lý thuyết thường bắt nguồn từ định luật thứ hai của Fick và các sửa đổi ở dạng đơn giản hóa của nó (các mô hình bán lý thuyết khác có nguồn gốc tương tự với định luật làm mát của Newton) Chúng

dễ dàng hơn và cần ít giả định hơn do sử dụng một số dữ liệu thử nghiệm [47] Các mô hình thực nghiệm cũng có những đặc điểm tương tự như các mô hình bán lý thuyết Chúng phụ thuộc nhiều vào các điều kiện thí nghiệm và đưa ra ít thông tin về đặc tính sấy của sản phẩm Phương pháp thực nghiệm dựa trên dữ liệu thực nghiệm và phân tích thứ nguyên Chúng dễ dàng được áp dụng vào mô phỏng quá trình sấy vì chúng phụ thuộc vào dữ liệu thực nghiệm [42] Phương pháp lý thuyết không chỉ tính đến các điều kiện bên ngoài mà còn tính đến cơ chế chuyển động bên trong của độ ẩm và các tác động sau đó [46] Các mô hình bán lý thuyết và thực nghiệm chỉ xem xét lực cản bên ngoài đối với sự truyền hơi ẩm

giữa sản phẩm và không khí [48, 49] Theo đó, lời giải của định luật thứ hai của Fick được

sử dụng rộng rãi như một mô hình lý thuyết trong sấy lớp mỏng sản phẩm thực phẩm Các

mô hình bán lý thuyết chỉ có giá trị trong điều kiện sấy khô mà các mô hình này đã phát triển Các mô hình thực nghiệm được sử dụng cho quá trình sấy một lớp, có thể mô tả đầy

đủ động học sấy [50] Có thể nói rằng độ phức tạp của các mô hình chủ yếu dựa vào số lượng hằng số nhưng không thể chọn mô hình mô tả đường cong sấy lớp mỏng bằng cách xem xét số lượng hằng số mô hình Nghĩa là, số lượng hằng số mô hình không phải là tiêu chí lựa chọn để xác định mô hình tốt nhất chỉ ra đặc tính sấy của sản phẩm Tuy nhiên, người ta kỳ vọng rằng mô hình sẽ cho kết quả chính xác để tối ưu hóa hoạt động và điều kiện sấy của sản phẩm [42] Để xác định được mô hình thích hợp ta cần xây dựng được các công thức tính toán hợp lý và xử lý số liệu một cách chuẩn xác

2.3 Cơ sở tính toán thông số động học sấy

Độ ẩm của vật liệu ẩm gồm độ ẩm tuyệt đối và độ ẩm tương đối Độ ẩm tuyệt đối là

độ ẩm tính theo khối lượng của vật liệu khô Độ ẩm tuyệt đối của vật liệu ẩm được định nghĩa bởi công thức sau [31]:

a k

G M G

G : Khối lượng vật liệu khô (g)

Độ ẩm tương đối được tính theo công thức sau [11]:

G=G +G : Khối lượng của toàn bộ vật liệu ẩm (g)

Độ ẩm không thứ nguyên được xác định theo công thức sau [51]:

DR: tốc độ sấy (gẩm/gvật liệu khô phút)

Việc lựa chọn mô hình toán học phù hợp với nghiên cứu động học sấy lát cắt cà rốt phụ thuộc vào hệ số tương quan (𝑅2), chi bình phương rút gọn ( )2

C và sai số toàn phương

trung bình gốc ( RMSE ) Năm mô hình toán học được xây dựng để xây dựng đường cong thay đổi độ ẩm trong quá trình sấy đã được lựa chọn Các mô hình và phương trình được đưa ra ở Bảng 2.1 Để xác định được mô hình tính toán phù hợp nhất để mô tả đặc tính và điều kiện sấy lớp mỏng cho thực nghiệm sấy cà rốt, ta phải tính toán để xác định giá trị của

hệ số tương quan có giá trị lớn nhất được xác định theo công thức (2.6), chi bình phương rút gọn và sai số toàn phương trung bình gốc có giá trị thấp nhất được xác định tương ứng với công thức (2.7) và (2.8) [39, 40]

Dưới đây là năm mô hình toán học sử dụng nghiên cứu động học sấy cà rốt lát mỏng được mô tả ở bảng 2.1 [52]:

Bảng 2.1 Các mô hình toán được sử dụng cho nghiên cứu động học sấy lát mỏng cà rốt

Lewis Y = 𝑒−𝑘𝑡 [53]

Page Y = 𝑒−𝑘𝑡𝑛 [54]

Henderson and Pabis Y = a 𝑒−𝑘𝑡 [55]

Logarithmic Y = a 𝑒−𝑘𝑡𝑛+ c [56]

Wang and Singh Y = 1 + at + bt2 [57]

Hệ số tương quan 𝑅2, được sử dụng trong các mô hình thống kê có mục đích chính là

dự đoán kết quả trong tương lai cùng với các thông số khác Đó là tỷ lệ biến thiên trong một tập dữ liệu được mô hình thống kê tính toán Nó cung cấp thước đo về mức độ kết quả trong tương lai có thể được dự đoán bởi mô hình [58] Hệ số tương quan không có khả năng là 0 hoặc 1 mà nằm ở đâu đó giữa các giới hạn này Nó càng gần 1 thì mối quan hệ