Nghiên cứu công nghệ sấy lạnh và ảnh hưởng đến chất lượng sấy cho một số loại rau quả giàu vitamin trên mô hình máy sấy lạnh bằng bơm nhiệt của khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh

Mục Lục Lời cảm ơn 6 Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp 7 Lời mở đầu 9 Danh mục các hình 11 Danh mục các bảng 12 Chương 1.TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH 13 1.1. Giới thiệu phương pháp sấy lạnh 13 1.1.1. Khái niệm về bơm nhiệt 13 1.1.1.1. Lịch sử hình thành và phát triển của bơm nhiệt 13 1.1.1.2. Giới thiệu các phương pháp sấy lạnh 14 1.2. Sơ đồ nguyên lý, đặc điểm truyền nhiệt và truyền chất hệ thống sấy lạnh 15 1.2.1. Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy lạnh 15 1.2.2. Đặc điểm quá trình truyền nhiệt, truyền chất 16 1.3. Phân loại hệ thống sấy lạnh 18 1.3.1. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 0oC 18 1.3.2. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 0oC 19 1.4. Các thiết bị trong hệ thống lạnh 20 1.5. Một số kết quả nghiên cứu về sấy lạnh của các tác giả trong và ngoài nước 22 1.5.1. Các tác giả trong nước 22 1.5.2. Các tác giả nước ngoài 24 1.6. So sánh phương pháp sấy lạnh với phương pháp sấy nóng 27 1.7. Đánh giá và kết luận 31 Chương 2. VẬT LIỆU SẤY LẠNH – XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU SẤY LẠNH 33 2.1. Lựa chọn vật liệu sấy lạnh theo hướng nghiên cứu của đề tài 33 2.1.1. Sơ đồ công nghệ sấy rau quả 34 2.1.2. Ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng sản phẩm 35 2.2. Các đặc tính hóa lý của một số rau quả giàu vitamin ứng dụng phương pháp sấy lạnh 37 2.3. Lý thuyết sấy rau quả 39 2.4. Một số phương pháp sấy rau quả 42 2.5. Lựa chọn phương pháp sấy lạnh theo hướng nghiên cứu của đề tài 42 Chương 3. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT 44 3.1. Giới thiệu bài toán thiết kế và mô hình thiết kế 44 3.2. Xây dựng quy trình công nghệ sấy Cà rốt 46 3.2.1. Giới thiệu vật liệu sấy 46 3.2.1. Xây dựng quy trình công nghệ sấy Cà rốt 47 3.3. Xác định các thông số đầu vào của vật liệu 48 3.4. Tính toán lý thuyết chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn 48 3.4.1. Xác định các thông số điểm nút trên đồ thị sấy 51 3.4.2. Tính toán tốc độ sấy và thời gian sấy 53 3.4.3. Tính toán nhiệt quá trình 56 3.5. Tính toán lý thuyết chế độ sấy thải bỏ tác nhân 58 3.5.1. Xác định các thông số điểm nút trên đồ thị sấy 58 3.5.2. Tính toán nhiệt quá trình 60 3.6. Xác định kích thước buồng sấy 62 3.7. Cân bằng nhiệt cho quá trình 63 3.8. Tính toán quá trình sấy thực chế độ hồi lưu hoàn toàn 67 3.9. Tính toán quá trình sấy thực chế độ thải bỏ tác nhân 70 3.10. Kết luận về chế độ sấy 72 3.11. Tính toán thiết kế và lựa chọn thiết bị phụ trợ 73 3.11.1. Các thông số nhiệt của môi chất lạnh 73 3.11.2. Tính toán chu trình bơm nhiệt 74 3.11.3. Tính toán thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt 77 3.11.3.1. Dàn ngưng 77 3.11.3.2. Dàn bay hơi 82 3.11.4. Tính chọn máy nén 87 3.11.5. Tính chọn đường ống dẫn môi chất 91 3.11.5.1. Đường ống đẩy 91 3.11.5.2. Đường ống hút 91 3.11.6. Thiết bị hồi nhiệt 92 3.11.7. Tính toán trở lực và chọn quạt 97 Chương 4. KHẢO NGHIỆM QUÁ TRÌNH SẤY THỰC TẾ TRÊN MÔ HÌNH MÁY SẤY LẠNH 102 4.1. Mục đích 102 4.2. Phương pháp và phương tiện 103 4.3. Thí nghiệm xác định các thông số quá trình 103 4.3.1. Thí nghiệm xác định vận tốc tác nhân sấy 104 4.3.2. Xác định ẩm độ - nhiệt độ trung bình (to, φo) của không khí 106 4.3.3. Thí nghiệm xác định độ ẩm đầu và độ ẩm cuối của vật liệu sấy 106 4.3.4. Xác định R trung bình của vật liệu sấy và phương pháp cắt lát vật lệu 106 4.3.5. Thí nghiệm sấy ở chế độ hồi lưu hoàn toàn và chế độ thải bỏ tác nhân 107 4.3.6. Các kết luận rút ra từ thực nghiệm 113 4.4. Ứng dụng phần mềm Labview vào nghiên cứu thực nghiệm 113 4.5. Các tính chất ảnh hưởng đến quá trình sấy 117 Chương 5. TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KINH TẾ 119 5.1. Chí phí nguyên liệu, nhiên liệu 119 5.2. Chi phí lao động 119 5.3. Chi phí khấu hao 119 Chương 6. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 121 6.1. Kết luận 121 6.2. Đề nghị 121 TÀI LIỆU THAM KHẢO 123 Lời cảm ơn Học tập là một quá trình lâu dài, mỗi giai đoạn đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành nhân cách, đạo đức của mỗi con người. Từ những ngày bước chân vào giảng đường đại học cho đến lúc hoàn thành luận văn này, em đã nhận được sự quan tâm chỉ dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô. Qua quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp em xin bày tỏ long biết ơn chân thành đến: • Ban giám hiệu trường Đại học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh. • Tập thể giảng viên Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh trường Đại học Công Nghiệp TP Hồ Chí Minh. • Quý thầy cô đã tận tình chỉ dạy chúng tôi trong thời gian học tập tại trường. • Đặc biệt, em xin chân thành cảm ơn Thầy trưởng Khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh Th.s Bùi Trung Thành đã trực tiếp theo dõi, tận tình hướng dẫn em trong thời gian thực hiện đề tài. Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian thực hiện, đề tài không tránh khỏi những thiếu sót. Mong nhận được sự chỉ bảo của quý thầy cô và góp ý của các bạn.

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Mục Lục

Lời cảm ơn 6

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp 7

Lời mở đầu 9

Danh mục các hình 11

Danh mục các bảng 12

Chương 1.TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH 13

1.1 Giới thiệu phương pháp sấy lạnh 13

1.1.1 Khái niệm về bơm nhiệt 13

1.1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của bơm nhiệt 13

1.1.1.2 Giới thiệu các phương pháp sấy lạnh 14

1.2 Sơ đồ nguyên lý, đặc điểm truyền nhiệt và truyền chất hệ thống sấy lạnh 15

1.2.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy lạnh 15

1.2.2 Đặc điểm quá trình truyền nhiệt, truyền chất 16

1.3 Phân loại hệ thống sấy lạnh 18

1.3.1 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 0oC 18

1.3.2 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 0oC 19

1.4 Các thiết bị trong hệ thống lạnh 20

1.5 Một số kết quả nghiên cứu về sấy lạnh của các tác giả trong và ngoài nước 22

1.5.1 Các tác giả trong nước 22

1.5.2 Các tác giả nước ngoài 24

1.6 So sánh phương pháp sấy lạnh với phương pháp sấy nóng 27

1.7 Đánh giá và kết luận 31

Chương 2 VẬT LIỆU SẤY LẠNH – XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ VẬT LIỆU SẤY LẠNH 33

2.1 Lựa chọn vật liệu sấy lạnh theo hướng nghiên cứu của đề tài 33

2.1.1 Sơ đồ công nghệ sấy rau quả 34

2.1.2 Ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng sản phẩm 35

2.2 Các đặc tính hóa lý của một số rau quả giàu vitamin ứng dụng phương pháp sấy lạnh 37

2.3 Lý thuyết sấy rau quả 39

2.4 Một số phương pháp sấy rau quả 42

2.5 Lựa chọn phương pháp sấy lạnh theo hướng nghiên cứu của đề tài 42

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT 44

3.1 Giới thiệu bài toán thiết kế và mô hình thiết kế 44

3.2 Xây dựng quy trình công nghệ sấy Cà rốt 46

3.2.1 Giới thiệu vật liệu sấy 46

3.2.1 Xây dựng quy trình công nghệ sấy Cà rốt 47

3.3 Xác định các thông số đầu vào của vật liệu 48

3.4 Tính toán lý thuyết chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn 48

3.4.1 Xác định các thông số điểm nút trên đồ thị sấy 51

3.4.2 Tính toán tốc độ sấy và thời gian sấy 53

3.4.3 Tính toán nhiệt quá trình 56

3.5 Tính toán lý thuyết chế độ sấy thải bỏ tác nhân 58

3.5.1 Xác định các thông số điểm nút trên đồ thị sấy 58

3.5.2 Tính toán nhiệt quá trình 60

3.6 Xác định kích thước buồng sấy 62

3.7 Cân bằng nhiệt cho quá trình 63

3.8 Tính toán quá trình sấy thực chế độ hồi lưu hoàn toàn 67

3.9 Tính toán quá trình sấy thực chế độ thải bỏ tác nhân 70

3.10 Kết luận về chế độ sấy 72

3.11 Tính toán thiết kế và lựa chọn thiết bị phụ trợ 73

3.11.1 Các thông số nhiệt của môi chất lạnh 73

3.11.2 Tính toán chu trình bơm nhiệt 74

3.11.3 Tính toán thiết kế các thiết bị trao đổi nhiệt 77

3.11.3.1 Dàn ngưng 77

3.11.3.2 Dàn bay hơi 82

3.11.4 Tính chọn máy nén 87

3.11.5 Tính chọn đường ống dẫn môi chất 91

3.11.5.1 Đường ống đẩy 91

3.11.5.2 Đường ống hút 91

3.11.6 Thiết bị hồi nhiệt 92

3.11.7 Tính toán trở lực và chọn quạt 97

Chương 4 KHẢO NGHIỆM QUÁ TRÌNH SẤY THỰC TẾ TRÊN MÔ HÌNH MÁY SẤY LẠNH 102

4.1 Mục đích 102

4.2 Phương pháp và phương tiện 103

4.3 Thí nghiệm xác định các thông số quá trình 103

4.3.1 Thí nghiệm xác định vận tốc tác nhân sấy 104

4.3.2 Xác định ẩm độ - nhiệt độ trung bình (to, φo) của không khí 106

4.3.3 Thí nghiệm xác định độ ẩm đầu và độ ẩm cuối của vật liệu sấy 106

4.3.4 Xác định R trung bình của vật liệu sấy và phương pháp cắt lát vật lệu 106

4.3.5 Thí nghiệm sấy ở chế độ hồi lưu hoàn toàn và chế độ thải bỏ tác nhân 107

4.3.6 Các kết luận rút ra từ thực nghiệm 113

4.4 Ứng dụng phần mềm Labview vào nghiên cứu thực nghiệm 113

4.5 Các tính chất ảnh hưởng đến quá trình sấy 117

Chương 5 TÍNH TOÁN HIỆU QUẢ KINH TẾ 119

5.1 Chí phí nguyên liệu, nhiên liệu 119

5.2 Chi phí lao động 119

5.3 Chi phí khấu hao 119

Chương 6 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 121

6.1 Kết luận 121

6.2 Đề nghị 121

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

Lời cảm ơn

Học tập là một quá trình lâu dài, mỗi giai đoạn đóng một vai trò quan trọng trong việc hình thành nhân cách, đạo đức của mỗi con người Từ những ngày bước chân vào giảng đường đại học cho đến lúc hoàn thành luận văn này, em đã nhận được sự quan tâm chỉ dẫn và giúp đỡ tận tình của các thầy cô Qua quá trình thực hiện luận văn tốt nghiệp em xin bày tỏ long biết ơn chân thành đến:

TP Hồ Chí Minh.

• Quý thầy cô đã tận tình chỉ dạy chúng tôi trong thời gian học tập tại trường.

Th.s Bùi Trung Thành đã trực tiếp theo dõi, tận tình hướng dẫn em trong thời

gian thực hiện đề tài.

Tuy nhiên, do hạn chế về thời gian thực hiện, đề tài không tránh khỏi những thiếu sót Mong nhận được sự chỉ bảo của quý thầy cô và góp ý của các bạn.

Tp Hồ Chí Minh, tháng 6, năm 2010

Sinh viên thực hiện đề tài

Tên đề tài: Nghiên cứu công nghệ sấy lạnh, tính toán, thiết kế, khảo nghiệm và xác

định một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng sấy cho một số loại rau quả giàu vitamin trên mô hình máy sấy lạnh bằng bơm nhiệt của khoa CN Nhiệt Lạnh

I/ Thông tin thực hiện đề tài:

13-Số liệu choo trước: Mô hình sấy lạnh của khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh

II/ Nội dung đề tài:

13-Tìm hiểu công nghệ sấy lạnh, phương pháp sấy, các thiết bị trong hệ thống sấy lạnh

2- Tìm hiểu kỹ thuật sấy lạnh trên một số thực phẩm và rau quả trong nước và thế giới

3- Trình bày các kết quả nghiên cứu về sấy lạnh trong nước và thế giới từ trước đến nay

4- Lựa chọn vật liệu sấy lạnh, xây dựng quy trình công nghệ và xử lý vật liệu trước sấy và sau sấy lạnh

5- Lý thuyết về sấy rau quả và thực phẩm

6- Tính toán thiết kế mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt

6.1 Giải quyết bài toán sấy lạnh lý thuyết và sấy thực theo chế độ thải bỏ tác nhân

6.2 Giải quyết bài toán sấy lạnh lý thuyết và sấy thực theo chế độ hồi lưu hoàn toàn khí thải

7- Tính toán thiết kế và lựa chọn các thiết bị phụ trợ cho hệ thống sấy

8- Khảo nghiệm mô hình máy sấy lạnh xác định lại các thông số kỹ thuật của mô

Xây dựng giá thành 1kg rau sấy

13- Các bản vẽ thiết kế

III/ Ngày giao nhiệm vụ: 01/03/2010

IV/ Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 25/06/2010

Rau quả hiện nay chủ yếu được sử dụng ở dạng tươi, như đã biết rau quả 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 rau quả tươi vẫn chỉ dựa vào các kinh nghiện cổ truyền, mang tính thủ công chấp vá Công nghệ sấy ứng dụng trong chế biến rau quả 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 là có thể xây dựng được từng quy trình công nghệ sấy hợp lý đối với từng loại rau, củ, quả Sản phẩm sấy giữ được nguyên màu sắc, mùi

vị, hạn chế tối đa thất thoát dinh dưỡng (khoảng 5%) [20], 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

Việc phát triển công nghệ sấy lạnh đã có nhiều thành tựu Tuy nhiên, để có một quy trình 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 Được sự phân công đề tài “Nghiên cứu công nghệ

sấy lạnh, tính toán, thiết kế, khảo nghiệm máy sấy lạnh và xác định một số thông số ảnh hưởng đến chất lượng sấy cho một số loại rau quả giàu vitamin trên mô hình máy sấy lạnh bơm nhiệt của khoa Công Nghệ Nhiệt Lạnh” thực hiện dựa trên cơ sở tìm hiểu

những nguyên lý chung nhất của công nghệ sấy lạnh từ đó có thể xây dựng nên quy trình sấy đối với từng loại rau quả khác nhau Để giải quyết những vấn đề đó, đề tài nghiên cứu những nội dung chính sau:

 Tìm hiểu về công nghệ sấy lạnh, phương pháp sấy và các thiết bị trong hệ thống sấy lạnh

 Tìm hiểu kỹ thuật sấy lạnh trên một số loại rau quả giàu vitamin, xây dựng quy trình sấy lạnh đối với một số loại rau quả này

 Tính toán thiết kế mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt ở chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn và chế độ thải bỏ tác nhân

 Tính toán thiết kế máy sấy lạnh và lựa chọn các thiết bị phụ trợ

 Thực nghiệm nghiên cứu trên mô hình thực tế

Với những đặc tính ưu việt, công nghệ sấy lạnh hứa hẹn sẽ là một công nghệ tiên tiến, cho lĩnh vực sấy thực phẩm giàu vitamin, có thể áp dụng rộng rãi với quy mô lớn đáp ứng cả về vấn đề lợi ích kinh tế và bảo vệ môi trường

Danh sách các hình

Hình 1-1 Sơ đồ nguyên lý bơm nhiêt 11

Hình 1-2 Hai phương thức trao đổi nhiệt qua buồng sấy 12

Hình 1-3 Sơ đồ quá trình sấy theo hai phương thức trao đổi nhiệt 13

Hình 1-4 Sơ đồ hệ thống lạnh 14

Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt kiểu môđun 21

Hính 1-6 Sơ đồ công nghệ sấy rau quả 32

Hình 3-1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống và đồ thị quá trình sấy 43

Hình 3-2 Sơ đồ công nghệ sấy Cà rốt 45

Hình 3-3 Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt sử dụng trong hệ thống sấy lạnh 47

Hình 3-4 Đồ thị I-d chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn 48

Hình 3-5 Đồ thị I-d chế độ sấy thải bỏ tác nhân 56

Hình 3-6 Đồ thị I-d chế độ sấy thực hồi lưu hoàn toàn 65

Hình 3-7 Đồ thị I-d chế độ sấy thực thải bỏ tác nhân 68

Hình 3-8 Sơ đồ tính toán khí động trong hệ thống máy sấy 96

Hình 3-9 Sơ đồ đặc tính kỹ thuật của quạt APCR0502AA10/10 99

Hình 3-10 Sơ đồ cấu tạo APCR0502AA10/10 99

Hình 4-1 Biểu đồ phân bố vận tốc tác nhân sấy qua các khay 102

Hình 4-2 Biểu đồ nhiệt độ, độ ẩm tại TP Hồ Chí Minh ngày 15/04/2010 103

Hình 4-3 Sơ đồ hệ thống máy sấy lạnh 105

Hình 4-4 Sơ đồ các thông số chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn 108

Hình 4-5 Sơ đồ các thông số chế độ sấy thải bỏ tác nhân 110

Hình 4-6 Giao diện chương trình ứng dụng phần mềm Labview 114

Danh mục các bảng

Bảng1-1 Đánh giá so sánh chất lượng sản phẩm sấy bằng bơm nhiệt sấy lạnh với

phương pháp sấy nóng truyền thống và sấy hồng ngoại28

Bảng 3-1 Thông số trạng thái các điểm nút 74

Bảng 3-2 Thông số tiêu chuẩn của các điểm nút88

Bảng 3-3 Tổn thất khí động qua buồng sấy 98

Bảng 4-1 Bảng kết quả khảo sát vận tốc tác nhân sấy 102

Bảng 4-2 Bảng kết quả thực nghiệm xác định nhiệt độ và độ ẩm môi trường 103

Bảng 4-3 Bảng kết quả xác định xác định độ ẩm đầu vào của vật liệu sấy 103

Bảng 4-4 Bảng kết quả bán kính R của vật liệu 104

Bảng 4-5 Bảng kết quả thí nghiệm chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn 106

Bảng 4-6 Bảng kết quả thí nghiệm ở chế độ sấy thải bỏ tác nhân 108

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH

1.1 Giới thiệu phương pháp sấy lạnh

1.1.1 Khái niệm về bơm nhiệt

1.1.1.1 Lịch sử hình thành và phát triển của bơm nhiệt

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 Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa không khí, sấy, hút ẩm, đun nước…

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

1.1.2 Giới thiệu các phương pháp sấy lạnh

Trong phương pháp sấy lạnh, người ta ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân

áp suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm Ở

phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt ngoài nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với không khí có độ ẩm và phân

áp suất hơi nước nhỏ nên lớp bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía bên trong vật Nói khác đi, ở đây gradient nhiệt độ và gradient áp suất có cùng dấu nên gradient nhiệt độ không kìm hãm quá trình dịch chuyển ẩm như khi sấy nóng mà ngược lại, nó có tác dụng tăng cường quá trình dịch chuyển ẩm trong long vật ra ngoài để bay hơi làm khô vật Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể lớn hơn hay nhỏ hơn nhiệt độ môi trường hoặc cũng có thể nhỏ hơn 0o

Quá trình truyền nhiệt thực hiện được thông qua sự thay đổi pha làm việc của môi chất lạnh Môi chất lạnh trong giàn bay hơi hấp thụ nhiệt và bay hơi ở nhiệt độ thấp và

áp suất thấp Khi hơi môi chất lạnh ngưng tụ ở nhiệt độ cao, áp suất cao tại dàn ngưng

tụ, nó thải nhiệt ở áp suất cao hơn Khi sử dụng trong quá trình sấy, hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt làm lạnh không khí của quá trình đến điểm bão hòa, và sau đó ngưng tụ nước (khử ẩm), do đó làm tăng khả năng sấy của không khí Trong quá trình này chỉ

tuần hoàn mức nhiệt thấp (nhiệt hiện và nhiệt ẩn) từ không khí Cấu trúc của dàn bay hơi và dàn ngưng tụ được bố trí như hình vẽ (hình 1.2).

Hình 1-2 Hai phương thức trao đổi nhiệt thông qua buồng sấy

Hình 1-3 Sơ đồ quá trình sấy theo hai phương thức trao đổi nhiệt

Trong trường hợp thứ nhất (hình 1-2.a), máy sấy lạnh hoạt động vừa như một máy khử ẩm vừa như một bộ gia nhiệt không khí Trong cách bố trí thứ hai (hình 1-2.b), dàn bay hơi được xen vào dòng không khí ẩm trong khi không khí sạch lại được đưa toàn bộ vào dàn ngưng tụ Việc sắp xếp theo kiểu này, nhiệt ẩn (cùng với một lượng lớn nhiệt hiện) được hồi lưu bằng cách khử ẩm khí thải và truyền cho tác nhân sấy quá trình thông qua dàn ngưng tụ Mô hình này thích hợp khi không khí môi trường khô (độ ẩm tương đối thấp), nhưng nó lại không kinh tế, bởi vì dòng khí thải tương tự như không khí bên trong Trong cả hai mô hình trên, khí thải từ buồng sấy có thể được hồi lưu lại đi đến dàn bay hơi nghĩa là không khí có thể tuần hoàn toàn bộ hay từng phần Ta có đồ thị

quá trình sấy như hình 1-3 tương ứng với hai trường hợp bố trí trên hình 1-2.

1.2 Sơ đồ nguyên lý, đặc điểm truyền nhiệt và truyền chất của hệ thống sấy lạnh 1.2.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy lạnh

Khác với phương pháp sấy nóng, trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp

suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt ngoài của vật nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với không khí

có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía bên trong vật Nói khác đi, ở đây gradient nhiệt độ và gradient áp suất có cùng dấu nên gradient nhiệt độ không kìm hãm quá trình dịch chuyển ẩm như khi sấy nóng

mà ngược lại, nó có tác dụng tăng cường quá trình dịch chuyển ẩm trong lòng vật ra ngoài để bay hơi làm khô vật Khi đó ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn nhiệt độ môi trường hoặc cũng có thể nhỏ hơn 0oC

Hình1-4 Sơ đổ hệ thống sấy lạnh

1.2.2 Đặc điểm quá trình truyền nhiệt và truyền chất

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

Trong kỹ thuật sấy lạnh, 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 d h , dạng lỏng d l và dạng rắn d r, entanpi H của không khí ẩm:

H= tb + (2500+1,93tb)dh + 4,18d1tb + (-335+2,1 tb)dr , 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

( )

2

3

/, /

h

d P T

d m

kg m K dVdt = Rdt

- trao đổi sẽ thay đổi, không khí được làm lạnh đến nhiệt

độ điểm sương ts Trên một đơn vị dài quan hệ truyền nhiệt, truyền chất này có thể biểu diễn dưới dạng:

2

3 h

d(P /T)

dVdt R.dt

(1.3)Trong đó:

- Ph- áp suất hơi bão hòa của hơi nước tương 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:

Từ các cơ sở trên ta có quan hệ:

' s

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, X0 [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, các chỉ số 1 và 2 là kí hiệu đầu vào và ra của không khí qua thiết bị bốc hơi.

1.3 Phân loại hệ thống sấy lạnh

1.3.1 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 0 0 C

a Hệ thống 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 < 00C, áp suất tác nhân sấy bao quanh vật P< 620 Pa [19] 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 0oC

 Ưu điểm: Phương pháp gần như bảo toàn được chất lượng sinh, hóa học của sản

phẩm (màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính,…)

b Hệ thống sấy chân không

Phương pháp sấy chân không là phương pháp tạo ra môi trường gần như chân không

trong buồng sấy, nghĩa là nhiệt độ vật liệu t < 0oC, áp suất tác nhân sấy bao quanh vật P

> 610 Pa Khi nhận được nhiệt lượng, các phần tử nước trong vật liệu sấy ở thể rắn sẽ chuyển sang thể lỏng, sau đó mới chuyển sang thể hơi và đi vào môi trường

 Ưu điểm: Phương pháp này giữ được chất lượng sản phẩm, đảm bảo điều kiện

vệ sinh

 Nhược điểm: Hệ thống có chi phí đầu tư lớn, vận hành phức tạp.

- Phương pháp sấy chân không thường chỉ sấy các loại vật liệu sấy là các sản phẩm quý, dễ biến chất

- Do tính phức tạp và không kinh tế nên các hệ thống sấy thăng hoa và hệ thống sấy chân không chỉ dùng để sấy những vật liệu quí hiếm, không chịu được nhiệt

độ cao Vì vậy, các hệ thống sấy này là những hệ thống sấy chuyên dùng, không phổ biến.

1.3.2 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 0 0 C

a) Phương pháp sử dụng máy hút ấm chuyên dụng kết hợp với máy lạnh

Phương pháp này sử dụng máy hút ẩm kết hợp với máy lạnh, để tạo ra môi trường sấy có nhiệt độ khá thấp, có thể bằng hoặc bé hơn nhiệt độ môi trường từ 5 đến 15

0C

 Ưu điểm

- Năng suất hút ẩm của phương pháp này khá lớn

- Khả năng giữ chất lượng, hàm lượng dinh dưỡng sản phẩm cũng khá tốt (phụ thuộc vào nhiệt độ sấy)

- Lắp đặt phức tạp, khó điều chỉnh các thông số để phù hợp với công nghệ

- Trong môi trường có bụi, cần dừng máy để vệ sinh chất hấp thụ, tuổi thọ thiết bị giảm

b Phương pháp dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp

Trong phương pháp này, người ta chỉ dùng một hệ thống bơm nhiệt để tạo ra môi

trường sấy Nhiệt độ môi trường sấy có thể điều chỉnh trong giới hạn khá rộng từ nhiệt

độ xấp xỉ môi trường đến nhiệt độ âm, tùy thuộc yêu cầu của vật liệu sấy Khác với các thiết bị nhiệt lạnh khác, khi sử dụng bơm nhiệt để sấy khô và hút ẩm thì cả dàn nóng và dàn lạnh đều được sử dụng hữu ích nên năng suất tiêu thụ ở đây có thể được tận dụng đến mức cao nhất mà nhiệt độ không khí lại có thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ môi trường hoặc thấp hơn

 Ưu điểm:

- Khả năng giữ màu sắc, mùi vị và vitamin đều tốt

- Tiết kiệm năng lương nhờ sử dụng cả năng lượng dàn nóng và dàn lạnh, hiệu quả sử dụng nhiệt cao

- Bảo vệ môi trường, vận hành an toàn

- Có khả năng điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy tùy thuộc vào yêu cầu và khả năng chịu nhiệt của từng loại sản phẩm nhờ thay đổi công suất nhiệt của dàn ngưng trong

- Phải có giải pháp xả băng sau một thời gian làm việc

1.4 Các thiết bị trong hệ thống sấy lạnh

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 một 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

a) 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…

b) 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

c) 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.

d) 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

e) 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 động lực của máy nén như: động cơ điện, động cơ gas, động cơ diesel hoặc động cơ gió…vv

 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…Mỗi phương án đòi hỏi những 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…

1.5 Một số kết quả nghiên cứu về sấy lạnh của các tác giả trong và ngoài nước

Việc sử dụng bơm nhiệt trong công nghiệp cũng như dân dụng để sấy, sưởi, hút ẩm, điều hòa không khí,… đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trên thế giới Sau đây

là tổng quan một số công trình nghiên cứu:

1.5.1 Các tác giả trong nước

Tác giả Phạm Văn Tùy và các công sự đã tiến hành nghiên cứu và đã ứng dụng thành công hệ thống bơm nhiệt để sấy lạnh kẹo Jelly, kẹo Chew, Caramel, kẹo Cứng… tại công ty bánh kẹo Hải Hà [Tài liệu 19].

Năm 1997, 1998 các tác giả đã thiết kế lần lượt hai hệ thống lạnh theo nguyên lý bơm nhiệt nhiệt độ thấp kiểu môđun Để sấy kẹo Jelly với năng suất 1100 kg/ngày và 1400 kg/ngày hiện nay vẫn còn được sử dụng cho phòng sấy lạnh số 2 và số 3 Nhà máy thực phẩm Việt Trì- Công ty cổ phần bánh kẹo Hải Hà Thông số nhiệt độ không khí buồng sấy 22-280C, độ ẩm 30-40% Sơ đồ nguyên lý hệ thống như hình 1-5

Hình 1-5 Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt kiểu môđun

Một hệ thống máy hút ẩm hỗ trợ cho dây chuyền sản xuất kẹo Caramem của Cộng Hòa Liên Bang Đức cải tạo từ máy điều hòa không khí cũ cho phân xưởng kẹo caramem và hệ thống bơm nhiệt hút ẩm công suất lạnh 120.000 Btu/h sử dụng 4 máy lạnh Trane TTK 530 công suất mỗi máy là 30.000 Btu/h hiện nay đang sử dụng cho phòng bao gói kẹo cứng thuộc Xí nghiệp Công ty CP Bánh kẹo Hải Hà đã được lắp đặt

từ năm 1999 Qua thực tế sử dụng, thấy rằng ngoài ưu điểm rẻ tiền (giảm khoảng 50% vốn đầu tư) và tiết kiệm năng lượng (điện năng tiêu thụ giảm gần 50%) so với phương

án dùng máy hút ẩm, các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh này hoạt động ổn định, liên tục và giảm chi phí bảo dưỡng Tuy nhiên, nó còn có nhược điểm là cồng kềnh, sử dụng nhiều quạt và động cơ xen kẽ, trong hệ thống nhiều bụi bột nên phải bảo dưỡng động cơ lại phải thực hiện trong không gian hẹp, khó thao tác

Để khắc phục những nhược điểm trên năm 2005 nhóm tác giả đã thiết kế chế tạo máy sấy lạnh cho phòng sấy lạnh số 1 theo nguyên lý bơm nhiệt kiểu nguyên khối BK-BSH18A So với công nghệ dùng các bơm nhiệt kiểu mô đun thì BK-BSH18A có thiết

bị xử lý không khí được chế tạo dạng tổ hợp gọn có thể đặt ngoài nhà, trong nhà hay trong buồng sấy và tốc độ không khí có thể thay đổi để phù hợp với yêu cầu của vật liệu sấy khác nhau.

Việc sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp để hút ẩm và sấy lạnh có nhiều ưu điểm và rất

có khả năng ứng dụng rộng rãi trong điều kiện khí hậu nóng ẩm phù hợp với thực tế tại Việt Nam, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật đáng kể Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những sản phẩm cần giữ trạng thái, màu, mùi, chất dinh dưỡng và không cho phép sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ gió lớn Các hệ thống hút ẩm và đặc biệt là các hệ thống sấy lạnh có cấu trúc luôn thay đổi phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu sấy, cấu trúc của dàn lạnh sử dụng, … nên không có một cấu trúc chung cho tất cả các đối tượng sấy, tuy nhiên vẫn có chung nguyên tắc và phương pháp tính toán thiết kế Do đó, cần phải tiếp tục những nghiên cứu cơ bản, đầy đủ về các quá trình, các giới hạn kỹ thuật và các vấn

đề tự động điều chỉnh không chế liên hoàn nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy cũng như của vật liệu sấy

1.5.2 Các tác giả nước ngoài

 Macio N Kohayakawa và các công sự [19] đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như: vận tốc gió Var, chiều dày của vật liệu L đến hệ số khuếch tán quá trình sấy

Def trong hệ thống sấy xoài bằng bơm nhiệt Môi chất lạnh sử dụng trong hệ thống là R22 Hệ thống sấy xoài sử dụng hai dàn ngưng trong để gia nhiệt cho không khí Nhiệt

độ không khí trong quá trình thí nghiệm thay đổi từ 40oC đến 56oC Vận tốc gió thay đổi

từ 1,6 m/s đến 4,4 m/s, chiều dày vật liệu sấy thay đổi từ 5,8 mm đến 14,2 mm Khối lượng vật liệu sấy ở mỗi mẻ là 300g, thời gian sấy là 8h/mẻ Dựa vào các quan hệ lý thuyết tính toán hệ số khuếch tán, sử dụng phương pháp quy hoạch trực giao và kết hợp với số liệu thực nghiệm, các tác giả đã xây dựng được phương trình hồi qui xác định hệ

số khuếch tán Def như sau:

ảnh hưởng của chúng là lớn đến hệ số khuếch tán Điều này cũng được chính tác giả khẳng định trong nghiên cứu của mình Do vậy, cần có những nghiên cứu đánh giá về ảnh hưởng của các yếu tố này.

 Phani K.Adapa, Greg J.Schoenau và Shahab Sokhansanj [19] đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình sấy bằng bơm nhiệt đối với các vật liệu đặc biệt Các tác giả đã tiến hành thiết lập các quan hệ tính toán lý thuyết quá trình sấy lớp mỏng Các tác giả đã thiết lập phương trình cân bằng năng lượng, cân bằng chất, truyền nhiệt và truyền ẩm giữa vật liệu và không khí cho một phân tố thể tích vật liệu sấy như sau:

Me - độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy, được xác định bằng thực nghiệm

t - thời gian sấy, s

k - hằng số sấy [1/s], được xác định như sau: k=0,2865.exp 0,179.Ta( )

(1.8)Giải phương trình (1.7) ta xác định được độ ẩm của vật liệu khi sấy tại thời điểm t như sau:

p a

x - chiều dày của vật liệu sấy

Gp - lưu lượng vật liệu sấy chuyển động qua băng tải, kg/m.s

Ga - lưu lượng không khí chuyển động qua băng tải, kg/m2.s

y - quãng đường dịch chuyển của vật liệu sấy, m

Giải phương trình (1.10), thu được công thức xác định sự thay đổi của độ chứa hơi W theo chiều dày vật liệu sấy (giả thiết tính chất của vật liệu sấy là đồng đều theo phương dịch chuyển y):

Tg - nhiệt độ của vật liệu sấy, 0C

hcv - hệ số truyền nhiệt thể tích, kJ/m3.ph.K

Cpa - nhiệt dung riêng của không khí khô, kJ/kgK

Cpw - nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kgK

Giải phương trình (1.12), xác định được nhiệt độ không khí tại đầu ra:

( / ).

0

d a x

Trong đó:

Trong đó: Lg - nhiệt ẩn hóa hơi của nước trong vật liệu sấy, kJ/kg

Cpg- nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, kJ/kgK

Cpl- nhiệt dung riêng của nước, kJ/kgK

Giải phương trình (1.13) ta sẽ tìm được sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu sấy:

1.6 So sánh phương pháp sấy lạnh với phương pháp sấy nóng

Sấy là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật Tuy nhiên, sấy là một quá trình công nghệ đòi hỏi sau khi sấy, vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn năng lượng

ít và chi phí vận hành thấp Có hai phương pháp sấy:

a) Phương pháp sấy nóng

Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy và vật liệu sấy được đốt nóng Do tác nhân sấy được đốt nóng nên độ ẩm tương đối φ giảm dẫn đến phân áp suất hơi nước Pam trong tác nhân sấy giảm Mặt khác do nhiệt độ của vật liệu sấy tăng lên nên mật độ hơi trong các mao quản tăng và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật cũng tăng theo công thức:

φ = o

r

p p

h

δρ2

(1.15)

Trong đó Pr - áp suất trên bề mặt cột mao dẫn, N/m2

Po - áp suất trên bề mặt thoáng, N/m2

Δ - Sức căng bề mặt thoáng,N/m2

ρh - mật độ hơi trên cột dịch thể trong ống mao dẫn, kg/m3

ρ0 - mật độ dịch thể, kg/m3 Như vậy 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

 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…

 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…

 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

- 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

b) Phương pháp sấy lạnh

Trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh áp suất hơi nước giữa vật liệu

sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy Ph nhờ giảm độ chứa ẩm d Mối quan hệ đó được thể hiện theo công thức:

Ph =

d

d B

+621,0

(1.16) Trong đó B - áp suất môi trường (áp suất khí trời)

Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể trên dưới nhiệt độ môi trường (t > 0 oC) và cũng có thể nhỏ hơn 0 oC

c) So sánh phương pháp sấy lạnh và phương pháp sấy nóng

Để tiến hành so sánh thực nghiệm phương pháp sấy lạnh với phương pháp sấy nóng, các loại rau củ thực phẩm và dược liệu như cà rốt, củ cải, hành lá, dứa, mít, nhãn, măng cụt, hành tây, hỗn hợp dịch ép gừng và bột avicel,… đã được sấy thử nghiệm với

khoảng thông số nhiệt độ sấy t = 250C đến 400C, tốc độ gió

ω=2,2-4 m/s

Kết quả sản phẩm sau thí nghiệm có các đặc điểm về màu sắc, mùi vị, hàm lượng chất dinh dưỡng

và trạng thái vật sấy được bảo toàn hơn hẳn các công nghệ sấy nóng truyền thống, ngay

cả khi so sánh với kỹ thuật sấy hiện đại bằng tia hồng ngoại Điều đó chứng tỏ những đặc điểm ưu việt của công nghệ sấy lạnh trong việc ứng dụng sấy những loại rau quả giàu vitamin, có giá trị dinh dưỡng cao trong thực tế [19]

Dưới đây là bảng so sánh các phương pháp sấy khác nhau với phương pháp sấy lạnh

sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ của Viện Công Nghệ Thực Phẩm, sở Công Nghiệp Hà Nội dựa trên các tiêu chí về chất lượng sản phẩm, giá thành sản phẩm, thời gian sấy, chi phí đầu tư, chi phí vận hành và bảo vệ môi trường, phạm vi ứng dụng, vv…

Bảng1-1 Đánh giá so sánh chất lượng sản phẩm sấy bằng bơm nhiệt sấy lạnh với phương pháp sấy nóng truyền thống và sấy hồng ngoại [Viện Công Nghệ Thực Phẩm,

sở Công Nghiệp Hà Nội]

1 Chất lượng sản phẩm (màu

sắc, mùi vị, vitamin)

Kém hơn

bằng

4 Chi phí đầu tư ban đầu Thường

thấp hơn Cao hơn nhiều Cao hơn

Khả năng điều chỉnh nhiệt

độ tác nhân sấy theo yêu cầu

công nghệ

7 Vệ sinh an toàn thực phẩm Thường

1.7 Đánh giá và kết luận

a) So với sấy lạnh sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hơp máy lạnh

Sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp tỏ ra ưu thế vượt trội về chi phí đầu tư ban đầu, giảm tiêu hao điện năng Với điều kiện của Việt Nam thì nên dùng phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp Trong thực tế, ở một số nhà máy nhập dây chuyền công nghệ sấy sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hợp với máy sấy không đạt hiệu quả và đã chuyển sang dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp

b) So với sấy thăng hoa và sấy chân không

Chất lượng sản phẩm của hai phương pháp này thường tốt hơn sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp nhưng các chỉ tiêu quan trong 2 và 5 lại kém hơn nên chỉ áp dụng hai phương pháp này khi yêu cầu về chất lượng sản phẩm cao (chỉ tiêu 1, 7), còn lại nên sử dụng phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp

c) So sánh với sấy nóng

Nhìn chung, có một số vật liệu sấy lạnh không có hiệu quả như sấy gỗ, các loại hoa quả có vỏ dày thì buộc phải sử dụng sấy nóng Đối với các vật liệu còn lại, nếu vật liệu

sấy nhạy cảm với nhiệt, dễ mất màu, dễ mất mùi, chất dinh dưỡng, giá thành sản phẩm được thị trường chấp nhận và thời gian sấy không đòi hỏi phải nhanh thì nên sấy bằng phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp.

Như vậy, phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp tỏ ra có hiệu quả, nhất

là đối với một số sản phẩm đặc thù (nhạy cảm với nhiệt độ) Do đó, tùy vào từng trường hợp cụ thể, xem xét các chỉ tiêu trong bảng trên, chỉ tiêu nào là quan trọng thì quyết định phương pháp sấy phù hợp

d) Kết luận

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 sắc, 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

Chương 2 VẬT LIỆU SẤY LẠNH – XÂY DỰNG QUY TRÌNH CÔNG

NGHỆ VÀ XỬ LÝ VẬT LIỆU SẤY LẠNH

2.1 Vật liệu sấy lạnh và lựa chọn vật liệu sấy lạnh theo hướng nghiên cứu

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 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 keo 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

2.1.1 Sơ đồ công nghệ sấy rau quả

Rau quả (phải thích hợp cho quá trình sấy)

Làm sạch (khô, ướt)Lựa chọn phân loại (theo kích thước)

Gọt sửaCắt, thái (tùy theo yêu cầu)Chần, hấp (tùy theo yêu cầu)

Xử lý hóa học (nếu cần)

Hình 2-1 Sơ đồ công nghệ sấy rau quả

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

a) 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

b) 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 thui khó chịu

c) 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

d) 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 chế đáng kể hoặc ngăn ngừa hoàn toàn khi sử dụng các phương pháp sấy nhanh và ôn hòa (như sấy phun), đặc biệt bằng phương pháp sấy thăng hoa đối với các nguyên liệu nghiền nát, nguyên chất dạng cắt nhỏ

Các chất dinh dưỡng như chất béo (ví dụ: các axit béo không thay thế được và các vitamin A, D, E, K) phần lớn chứa trong phần chất rắn của sản phẩm và chúng không bị

cô đặc trong khi sấy Tuy nhiên nước là dung môi của các kim loại nặng, là những chất xúc tác của quá trình oxy hóa các chất dinh dưỡng không no Khi nước bị mất, chất xúc tác trở nên hoạt động hơn và làm tăng tốc độ oxy hóa Các vitamin tan trong chất béo bị biến đổi mất đi khi tiếp xúc với peroxit được sinh ra do sự oxy hóa chất béo Để giảm

thất thoát trong quá trình bảo quản người ta hạ thấp nồng độ oxy, nhiệt độ bảo quản và loại trừ ánh sang tiếp xúc với sản phẩm.

e) Ảnh hưởng đến sự hồi nguyên sản phẩm (rehydration)

Sản phẩm sau khi sấy không thể trở lại tình trạng ban đầu khi làm ướt trở lại Sau khi sấy, tế bào bị mất áp suất thẩm thấu, tính thẩm thấu của tế bào bị thay đổi, các chất tan

di chuyển, polysacarit kết tinh và protein tế bào bị đông tụ, tất cả góp phần vào sự thay đổi cấu trúc, làm thất thoát các chất dễ bay hơi và đây đều là những quá trình không thuận nghịch

Nhiệt trong quá trình sấy làm giảm khả năng hydrat hóa tinh bột và tính đàn hồi của thành tế bào, làm biến tính protein, giảm khả năng giữ nước của chúng Tốc độ và mức

độ thấm nước trở lại có thể được dùng như chỉ số đánh giá chất lượng sản phẩm sấy Những sản phẩm sấy trong những điều kiện tối ưu, ít hư hại hơn sẽ thấm ướt trở lại nhanh hơn, hoàn toàn hơn

2.2 Các đặc tính hóa lý cơ bản của một số vật liệu sấy giàu vitamin ứng dụng công nghệ sấy lạnh

Bất kì một loại nông sản phẩm nào, trong thành phần của nó đều có chứa các nhóm hợp chất hữu cơ như protein, gluxit, lipid, vitamin, axit hữu cơ và các chất khoáng, các sắc tố v.v… với tỷ lệ khác nhau Do đó muốn bảo quản tốt từng loại sản phẩm cần nghiên cứu kỹ thành phần hóa học và những biến đổi của nó dưới tác động của các nhân

tố bên ngoài Thông thường trong thành phần của chúng có chứa những hợp chất sau:a) Nước

Tuyệt đại đa số nông sản phẩm đều có chứa một lượng nước nhất định, nó thay đổi

tùy theo hình thái giải phẩu và trạng thái keo ưa nước trong tế bào sản phẩm Có những loại chứa nhiều nước như rau quả tươi chứa 65-95% nước, hạt lương thực chứa tương đối ít hơn từ 11-20% Nhưng nhìn chung trong tế bào các loại nông sản phẩm đều có chứa các dạng nước sau đây: (theo phân loại của viện sĩ P.A Rebinde)

 Nước liên kết hóa học

Được đặc trưng bằng quan hệ định lượng rất chính xác giữa sản phẩm và nước Đây

là loại liên kết rất bền vững Ví dụ: Na3CO3.3H2O Nếu muốn tách lượng nước này phải bằng cách đem nung lên hoặc bằng các tương tác hóa học khác

 Nước liên kết hóa lý

Kết hợp với vật liệu không theo một tỷ lệ nhất định Nó bao gồm có nước hấp thụ,

nước thẩm thấu, nước cấu trúc Muốn tách lượng nước này ra cần tiêu hao một năng lượng để biến nó thành thể hơi Dạng nước này kém bền hơn

 Nước liên kết cơ học

Loại này kết hợp với sản phẩm không theo một lượng nhất định, chính là lượng nước

tự do trong sản phẩm đây là dạng kém bền vững nhất Nó được chuyển dịch trong sản phẩm ở dạng thể lỏng Muốn tách ra phải bằng cách sấy khô ở nhiệt độ 105oC

Hàm lượng nước trong sản phẩm cao hay thấp có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và

khả năng bảo quản của chúng Đối với những sản phẩm có hàm lượng nước cao, việc bảo quản khó khăn hơn vì nước chính là một môi trường thuận lợi để vi sinh vật hoạt động, làm cho chất lượng sản phẩm bị giảm xuống

b) Những hợp chất có Nitơ và sự biến đổi trong quá trình bảo quản

Protein là hợp chất chứa Nitơ chủ yếu trong nông sản phẩm và nó là thành phần dinh dưỡng chủ yếu của những sản phẩm có hạt Nó có giá trị dinh dưỡng cao Các loại sản phẩm khác nhau, hàm lượng protein chứa trong chúng khác nhau Lúa chứa 7-10%, ngô 10-12%, cao lương 10-13%, đậu Hà Lan 22-26%, đậu tương 36-42%, càrốt 2% các loại quả chỉ dưới 1% (Tất cả tính theo % trọng lượng chất khô)

Trong thành phần protein có mặt đầy đủ các nhóm: albumin, prolamin, glutein, globulin

- Trong albumin có chứa các axít amin không thay thế

- Prolamin cứ nhiều trong các cây hòa thảo, đặc biệt thành phần protein chứa trong hạt ngô thì nhóm này chủ yếu chiếm tới 50% đó là zein của ngô

- Globulin có chứa nhiều trong hạt có dầu, hạt cây họ đậu như đậu tương, protein trong đậu tương Protein trong đậu tương có đủ 8 axit amin không thay thế

- Glutelin cũng là protein đặc trưng của hạt cây hòa thảo, đặc bệt người ta chú ý tới gluten của lúa mì

Ở rau quả hàm lượng protein rất ít, chỉ chiếm khoảng 1-2%, thường chủ yếu ở các loại rau cao cấp như suplơ, càrốt, khoai tây… tuy vậy nó có giá trị dinh dưỡng rất cao Trong quá trình bảo quản, nói chung Nitơ tổng số hầu như không thay đổi hoặc thay đổi rất ít, nhưng Nitơ protein hòa tan thay đổi khá nhiều, chúng phân giải thành các axit amin làm cho hàm lượng axit amin tăng lên Do đó lượng Nitơ protein giảm xuống và Nitơ phiprotein trong quá trình này cũng tăng lên một cách rõ rệt Trong những công trình nghiên cứu của Gasiorowski về hạt lúa mì bảo quản ở trạng thái tươi ẩm trong các

kho kín hoàn toàn, ông đã phát hiện thấy sự tăng lên của hàm lượng Nitơ phiprotein sau

15 tuần lễ bảo quản

2.3 Lý thuyết sấy rau quả

2.3.1 Quy trình xử lý trước khi sấy

Sấy rau quả thông thường được thực hiện ở 3 dạng chủ yếu: dạng nguyên (hoặc miếng); dạng bản mỏng và dạng bột hoặc nhũ tương Tuỳ theo dạng sản phẩm, công nghệ sấy rau quả có sơ đồ chung như sau:

•Rau quả tươi sau khi rửa sạch được loại bỏ phần không đủ tiêu chuẩn, được phân cỡ theo kích thước, làm sạch, cắt miếng Sau đó rau quả được chần (hấp), xử lý hoá chất Tiếp theo, các hình thức sản phẩm khác nhau được chế biến theo các sơ đồ khác nhau

•Trong khi chần (hấp), do tác dụng của nhiệt và ẩm nên tính chất hoá lý của nguyên liệu

bị biến đổi có lợi cho sự thoát nước khi sấy Đồng thời vi sinh vật bị tiêu diệt và hệ thống enzim trong nguyên liệu bị mất hoạt tính, hạn chế tối đa khả năng biến màu trong khi sấy rau quả và rút ngắn thời gian sấy Ngoài ra quá trình chần làm giảm độ hút ẩm của rau quả khô

•Trong công nghiệp sấy rau quả, để ngăn ngừa quá trình oxy hoá làm biến màu rau quả khi sấy, người ta sử dụng các chất chống oxy hoá như axit sunfurơ, axit ascobic, axit xitric và các muối natri của axit Sunfurơ (như sunfit, bisunfit, metabisunfit, ) để xử

lý hoá chất cho rau quả trước khi sấy

2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

a) Nhiệt độ sấy

Yếu tố ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm rau quả khô là nhiệt độ sấy Nếu nhiệt độ sản phẩm trong quá trình sấy cao hơn 60 oC thì prôtêin bị biến tính Nếu loại rau quả ít thành phần protêin thì nhiệt độ đốt nóng sản phẩm có thể lên đến 80-90 oC Nếu tiếp xúc nhiệt trong thời gian ngắn như sấy phun thì nhiệt độ sấy có thể lên đến 150

oC Đối với sản phẩm không chần như chuối, đu đủ thì có thể sấy nhiệt độ cao, giai đoạn đầu 90-100oC, sau đó giảm dần xuống

Quá trình sấy còn phụ thuộc vào tốc độ tăng nhiệt của vật liệu sấy Nếu tốc độ tăng nhiệt quá nhanh thì bề mặt mặt quả bị rắn lại và ngăn quá trình thoát ẩm Ngược lại, nếu tốc độ tăng chậm thì cường độ thoát ẩm yếu

b) Độ ẩm không khí

Muốn nâng cao khả năng hút ẩm của không khí thì phải giảm độ ẩm tương đối của

nó xuống Có 2 cách làm giảm độ ẩm tương đối của không khí [19]

* Tăng nhiệt độ không khí bằng cách dùng calorife

* Giảm nhiệt độ không khí bằng cách dùng máy hút ẩm

Thông thường khi vào lò sấy, không khí có độ ẩm 10 - 13% Nếu độ ẩm của không khí quá thấp sẽ làm rau quả nứt hoặc tạo ra lớp vỏ khô trên bề mặt, làm ảnh hưởng xấu đến quá trình thoát hơi ẩm tiếp theo Nhưng nếu độ ẩm quá cao sẽ làm tốc độ sấy giảm Khi ra khỏi lò sấy, không khí mang theo hơi ẩm của rau quả tươi nên độ ẩm tăng lên (thông thường khoảng 40 - 60%) Nếu không khí đi ra có độ ẩm quá thấp thì sẽ tốn năng lượng; ngược lại, nếu quá cao sẽ dễ bị đọng sương, làm hư hỏng sản phẩm sấy Người

ta điều chỉnh độ ẩm của không khí ra bằng cách điều chỉnh tốc độ lưu thông của nó và lượng rau quả tươi chứa trong lò sấy

c) Lưu thông của không khí

Trong quá trình sấy, không khí có thể lưu thông tự nhiên hoặc cưỡng bức Trong các

lò sấy, không khí lưu thông tự nhiên với tốc độ nhỏ (nhỏ hơn 0,4m/s), do vậy thời gian sấy thường kéo dài, làm chất lượng sản phẩm sấy không cao Để khắc phục nhược điểm này, người ta phải dùng quạt để thông gió cưỡng bức với tốc độ trong khoảng 0,4 - 4,0 m/s trong các thiết bị sấy Nếu tốc độ gió quá lớn (trên 4,0 m/s) sẽ gây tổn thất nhiệt lượng.[20]

d) Độ dày của lớp sấy

Độ dày của lớp rau quả sấy cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy Lớp nguyên liệu càng mỏng thì quá trình sấy càng nhanh và đồng đều, nhưng nếu quá mỏng sẽ làm giảm năng suất của lò sấy Ngược lại, nếu quá dày thì sẽ làm giảm sự lưu thông của không khí, dẫn đến sản phẩm bị "đổ mồ hôi" do hơi ẩm đọng lại Thông thường nên xếp lớp hoa quả trên các khay sấy với khối lượng 5 – 8 kg/m2 là phù hợp.[20]

2.4 Một số phương pháp sấy rau quả

a) Phương pháp sấy bằng không khí

Công việc này được tiến hành bằng cách trải rau quả lên các loại bề mặt ở ngoài trời

để nhận ánh sang mặt trời trực tiếp Tuy nhiên, sản phẩm có chất lượng kém do đó khó kiểm soát được vấn đề vệ sinh, điều chỉnh độ ẩm, nhiệt độ và tốc độ sấy

Người ta chế tạo máy sấy dung năng lượng mặt trời nhằm khắc phục những nhược điểm trên Thiết bị này sử dụng một cơ cấu rất đơn giản có tác dụng tăng cường nhiệt từ mặt trời và bảo vệ sản phẩm

Cần chú ý phân biệt giữa sấy trực tiếp và sấy gián tiếp bằng năng lượng mặt trời Đối với sấy trực tiếp, sản phẩm được đặt dưới ánh nắng mặt trời và kết quả là sẽ thay đổi về màu sắc, thành phầm vitamin Đối với sấy gián tiếp, nguyên liệu này được bảo vệ khỏi ánh sáng trực tiếp từ mặt trời Ở phương pháp này, người ta sử dụng một phòng riêng để thu nhận nhiệt lượng từ mặt trời và tại đó, không khí được cấp nhiệt rồi thổi qua phòng chứa sản phẩm.

Máy sấy cơ học dùng nhiên liệu để đốt nóng không kí một cách trực tiếp, thực phẩm được sấy bằng khí đốt, hoặc một cách gián tiếp thực phẩm được sấy bằng không khí nóng do khí đốt Hai hình thức này đều có khả năng kiểm soát tốt hơn so với sấy bằng mặt trời và có thể tiến hành cả ngày lẫn đêm, không phụ thuộc vào thời tiết Tuy nhiên, chi phí đầu tư và vận hành cho thiết bị này khá cao Đối với các sản phẩm đã được lựa chọn phân loại tốt từ nguyên liệu ban đầu, công đoạn rửa và xử lý cũng quan trọng như công đoạn sấy

b) Phương pháp sấy lát

Phương pháp này tiến hành sấy một hoặc hỗn hợp nhiều loại rau quả (đã được xử lý bằng dioxyt sunfua nhằm hạn chế mất màu và vi sinh vật phát triển) ở dạng lát mỏng Loại này thường được dùng như thực phẩm ăn nhẹ, có thể tăng độ ngọt bằng cách bổ sung đường vào nguyên liệu ban đầu hoặc thay đổi thành phần như thêm hạnh nhân, dừa nạo hay bột gia vị

c) Phương pháp sấy bổ sung

Ví dụ như chuối đã được sấy trước đó nhằm loại bỏ lớp đường dính tiếp tục được sấy

bổ sung Việc đóng gói và bảo quản sản phẩm sấy khô đòi hỏi nhiều yêu cầu Sản phẩm sau khi sấy cần được bảo quản tránh ánh sáng mặt trời, độ ẩm và nhiệt độ nhằm ngăn ngừa sự giảm hương vị và hư hỏng Người ta thường dùng dụng cụ chứa bằng gốm, thủy tinh, kim loại hay nhựa cho tới khi chúng được đóng hộp Giải pháp rẻ nhất là sử dụng túi màng mỏng PE với điều kiện phải được ghép mệng bằng Nơi bảo quản cần thoáng mát, tránh xa ánh sáng mặt trời, côn trùng và loài gặm nhấm Đa số, sản phẩm sấy đều ổn định chất lượng trong nhiều tuần

2.5 Lựa chọn phương pháp sấy lạnh theo hướng nghiên cứu của đề tài

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 rau quả 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 nóng trong các quy trình sấy rau quả 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 rau quả 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 công nghệ Nôi dung thực hiện ở Chương III:

“Tính toán thiết kế mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt” sẽ trình bày rõ nội dung này

Chương 3 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY SẤY LẠNH SỬ DỤNG

BƠM NHIỆT

3.1 Giới thiệu về bài toán thiết kế và mô hình thiết kế

Các loại rau quả rất nhạy cảm với nhiệt độ cao, đặc biệt là các loại vitamin và khoáng chất, ở nhiệt độ trên 600C các chất này bắt đầu phân hủy, dẫn đến làm giảm giá trị dinh

dưỡng cũng như giá thành của sản phẩm [20] Đối với các phương pháp sấy nóng, việc lấy ẩm từ vật liệu chỉ thực hiện được bằng việc đốt nóng vật liệu hoặc tác nhân sấy lên đến nhiệt độ cao, sẽ không đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng Để giải quyết vấn

đề này, máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt ra đời, là phương pháp sấy mà việc lấy ẩm từ vật liệu sấy được thực hiện bằng cách tạo ra sự chênh áp giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy cho nên không đòi hỏi phải gia nhiệt tác nhân sấy lên nhiệt độ quá cao Cũng cùng nguyên lý dịch chuyển ẩm từ bên trong nhân ra ngoài bề mặt vật liệu sấy nhưng có thể

dễ dàng nhân thấy rằng, đối với phương pháp sấy nóng tác nhân sấy ở nhiệt độ cao sẽ làm khô bề mặt vật liệu nhanh hơn do đó sẽ cản trở quá trình dịch chuyển ẩm Hơn nữa, các vật liệu sấy khác nhau có cấu trúc tế bào và thành phần hóa lý khác nhau, việc sử dụng phương pháp sấy lạnh chúng ta có thể xây dựng quy trình công nghệ đối với các loại rau quả khác nhau Bài toán thiết kế mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt sấy

Cà rốt được thực hiện để xác định các thông số quá trình từ thực nghiệm

 Nguyên lý hoạt động của thiết bị

Máy sấy lạnh hoạt động dựa trên nguyên lý của tủ sấy, nhưng tác nhân sấy được xử

lý tách ẩm trước khi vào buồng sấy Nguyên tắc tách ẩm tác nhân sấy bằng cách sử dụng dàn lạnh của máy lạnh để làm giảm nhiệt độ của tác nhân sấy dưới nhiệt độ điểm sương

để hơi nước trong không khí ẩm ngưng tụ thành nước và được lấy ra ngoài Phần tác nhân sấy sau khi tách ẩm được gia nhiệt lại bởi dàn nóng của máy lạnh rôii tiếp tục đưa vào buồng sấy thực hiện quá trình sấy

Không khí ngoài trời ở trạng thái O (t0, φ0) được đưa qua dàn lạnh Khi máy hoạt động môi chất lạnh được máy nén nén lên dàn ngưng tụ sau đó đi qua van tiết lưu rồi về dàn lạnh trao đổi nhiệt với không khí ngoài trời được hút vào, quá trình làm lạnh làm cho không khí lạnh trở nên bão hòa nước ngưng tụ thoát ra ngoài, lúc này

không khí ngoài trời có nhiệt độ là t2 trạng thái 2, sau đó tác nhân sấy tiếp tục

đi qua dàn nóng, nâng nhiệt độ tác nhân lên đến nhiệt độ t3 trạng thái 3 Tác

nhân sấy này sau đó được dẫn qua các khay vật liệu sấy để thực hiện quá trình

sấy tách ẩm đẳng nhiệt Quá trình sấy sau đó tiếp tục với lượng tác nhân hồi

lưu chứa ẩm vật liệu sấy

Hình 3-1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống và đồ thị quá trình sấy

3.2 Xây dựng quy trình công nghệ sấy Cà rốt

3.2.1 Giới thiệu về vật liệu sấy

Cà rốt - Daucus carota L., ssp sativus Hayek., thuộc họ Hoa tán -

Apiaceae

* Mô tả

hợp thành tán kép; trong mỗi tán, hoa ở chính giữa thì không sinh sản

và màu tía, còn các hoa sinh sản ở chung quanh thì màu trắng hay hồng

Hạt Cà rốt có vỏ gỗ và lớp lông cứng che phủ

* Bộ phận dùng

Củ và quả - Radix et Fructus Carotae

* Nơi sống và thu hái

Cà rốt là một trong những loại rau trồng rộng rãi nhất và lâu đời nhất trên thế giới

Cà rốt cũng được trồng nhiều ở nước ta Hiện nay, các vùng rau của ta đang trồng phổ biến hai loại Cà rốt: một loại có củ màu đỏ tươi, một loại có củ màu đỏ ngả sang màu da cam

- Loại vỏ đỏ (Cà rốt đỏ) được nhập trồng từ lâu, nay nông dân ta tự giữ giống; loại

cà rốt này có củ to nhỏ không đều, lõi to, nhiều xơ, hay phân nhánh, kém ngọt

- Loại vỏ màu đỏ ngả sang màu da cam là cà rốt nhập của Pháp (Cà rốt Tim tôm) sinh trưởng nhanh hơn loài trên; tỷ lệ củ trên 80%, da nhẵn, lõi nhỏ, ít bị phân nhánh nhưng củ hơi ngắn, mập hơn, ăn ngon, được thị trường ưa chuộng

* Thành phần hóa học

Cà rốt là một trong những loại rau được đánh giá cao về giá trị dinh dưỡng và chữa bệnh đối với con người Cà rốt giàu lượng đường và các loại vitamin cũng như năng lượng Các dạng đường tập trung ở lớp vỏ và thịt của củ; phần lõi rất ít Vì vậy củ cà rốt

có lớp vỏ dày, lõi nhỏ mới là củ tốt

Trong 100g ăn được của Cà rốt, theo tỷ lệ % có: nước 88,5; protid 1,5; glucid 8,8; cellulose 1,2; chất tro 0,8 Muối khoáng có trong Cà rốt như kalium, calcium, sắt, phosphor, đồng, bor, brom, mangan, magnesium, molipden

3.2.2 Xây dựng quy trình công nghệ sấy Cà rốt

* Cà rốt phải chọn màu đỏ, củ to và lõi nhỏ

* Sau khi rửa sạch chần trong nước sôi ở nhiệt độ 87-880C trong thời gian 6-8 phút

* Rửa lại để loại bỏ vỏ và sunfit hóa bằng dung dịch SO2 có nồng độ 0,2-1%

* Cà rốt được sunfit hóa thái mỏng thành lát, trải đều trên khay sấy đảm bảo sao cho quá trình trao đổi nhiệt đối lưu tối ưu nhất

* Cà rốt là loại rau củ nhiều vitamin và chất dinh dưỡng nên không thể tiến hành sấy ở nhiệt độ cao Thông thường khoảng nhiệt độ thích hợp để sấy Cà rốt ở trong khoảng

30 -700C [3] Ta có sơ đồ công nghệ sấy cà rốt như sau:

Cà rốt tươi đầu vào (độ ẩm 88,7%)Rửa sạch, cắt gọt

Chần trong nước sôi nhiệt độ (87-880C)

trong thời gian 6-8 phút

Rửa lại trong dung dịch SO2 (0,2-1%)

Loại bỏ vỏ

Thái mỏng, xếp vào khay sấy

Sấy (ở nhiệt độ 30-50oC) theo phương pháp sấy lạnh

Đến độ ẩm yêu cầu (12-14%)Đóng gói bảo quản

Hình 3-2 Sơ đồ công nghệ sấy Cà rốt

3.3 Xác định các thông số đầu vào của vật liệu

a) Thành phần dinh dưỡng của vật liệu sấy

Cà rốt sấy khô rất giàu vitamin: C, B1, B2, PP và đặc biệt là tiền vitamin A Thành phần hóa học của Cà rốt sấy khô bao gồm: 13% nước, 9,2% protit, 1,5% lipit, 48% đường, 10,4% tinh bột, 9,6% xenluloza, 2% axit, 6,3 % tro [20]