Nghiên cứu thực nghiệm động học quá trình sấy cà rốt bằng bơm nhiệt kiểu bậc thang

Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu động học quá trình sấy (QTS) cà rốt dạng thái lát trong thiết bị bơm nhiệt kiểu bậc thang. Thí nghiệm được thực hiện ở chiều dày lát cà rốt 1cm với các kết quả sấy ở các mức nhiệt độ khác nhau của tác nhân sấy (TNS) ứng với các chế độ làm việc khác nhau của hệ thống sấy HTS–GT-01.

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM ĐỘNG HỌC QUÁ TRÌNH SẤY CÀ RỐT BẰNG BƠM NHIỆT KIỂU BẬC THANG RESEARCH ON KINETIC OF CARROT SLICES DRYING PROCEES BY STEP HEAT PUMP Trương Minh Thắng Trường Đại học Giao thông Vận tải Ngày nhận bài: 18/4/2018, Ngày chấp nhận đăng: 19/5/2018, Phản biện: TS Bùi Mạnh Tú Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu động học trình sấy (QTS) cà rốt dạng thái lát thiết bị bơm nhiệt kiểu bậc thang Thí nghiệm thực chiều dày lát cà rốt 1c m với kết sấy mức nhiệt độ khác tác nhân sấy (TNS) ứng với chế độ làm việc khác hệ thống sấy HTS–GT-01 Từ khóa: Động học sấy, sấy bơm nhiệt, sấy sà rốt, bơm nhiệt kiểu bậc thang, vận hành bơm nhiệt Abstract: This paper introduced the results of studies on experimental kinetic of carrot slices in step heat pump drying process The cm carrot slices used to experiment peformed at different temperatures of air drying at avaliable operating mode of HTS-GT-01 Keywords: Drying kinetic, heat pump drying, carrot drying, step heat pump, heat pump operation ĐẶT VẤN ĐỀ Cà rốt loại thực phẩm đánh giá giàu chất dinh dưỡng loại rau trồng phổ biến Ở Việt Nam thời vụ từ tháng giêng đến tháng bảy, hạt cà rốt nảy mầm sau khoảng tuần bắt đầu thành củ khoảng từ đến tháng Năng thu hoạch cà rốt lên tới 30÷40 củ/ha 0,2÷0,8 hạt/ha Ở miền bắc Việt Nam có tỉnh Hải Dương địa phương có sản Số 16 lượng vùng chuyên canh cà rốt lớn giá trị kinh tế cà rốt mang lại Trong củ cà rốt có khoảng 80÷90% nước; 0,046 độ axit trung tính axit sunfuaric; chất đạm 1÷1,87%; chất béo 0,02÷0,08%; glyxit tính theo tinh bột khoảng 6÷9,3%; xenluloza 1,4÷1,6%; tro 0,9÷1,03%; tinh dầu cà rốt có mùi thơm nồng mạnh với hàm lượng khoảng 0,8÷1,6% thành phần chủ yếu pinen, limonen, daucola glycol; chất màu có tinh thể quan trọng -caroten; men 11 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) pectaza, oxydaza; enzim Ngoài người ta phát chất insulin thực vật có tác dụng giảm 1/3 đường máu [1] Tuy nhiên, điều kiện phương tiện bảo quản, chế biến chỗ hạn chế nên lượng hao hụt khơng có phương pháp phù hợp lớn Vì nghiên cứu, xác định phạm vi thơng số làm việc hệ thống sấy phục vụ cho trình chế biến, bảo quản cà rốt cần thiết Việc nghiên cứu thực nghiệm QTS nội dung quan trọng nhằm xác định xác mối quan hệ biến đổi ẩm vật liệu sấy (VLS) theo thời gian sấy (TGS) Những kết giúp cung cấp thơng tin thông số cần lựa chọn cho phù hợp với điều kiện làm việc hệ thống sấy (HTS) VLS để đảm bảo chất lượng hiệu toàn QTS dàn ngưng tụ phụ (NP) Việc tiết lưu môi chất lạnh thực thông qua van tiết lưu tay (TL), điều chỉnh nhiệt thải qua dàn NP van điện từ (ĐT) Đường TNS thiết kế cho TNS qua dàn lạnh tương ứng máy qua dàn nóng để tăng nhiệt độ TNS trước vào TBS Trên đường hồi TNS có bố trí đường tắt bypass, thơng số kỹ thuật sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy bơm nhiệt HTS GT-01 giới thiệu chi tiết [2], giới thiệu sơ đồ tổng thể thiết bị sấy điểm đo hình Với mục đích đó, báo nhằm cung cấp thông tin kết nghiên cứu thực nghiệm QTS cà rốt dạng thái lát thiết bị bơm nhiệt kiểu bậc thang HTS-GT-01 tác giả xây dựng Hình Sơ đồ bố trí điểm đo HTS GT-01 GIẢI QUYÊT VẤN ĐỀ 2.1 Giới thiệu thiết bị sấy HTS-GT-01 Thiết bị sấy bơm nhiệt kiểu ghép tầng xây dựng Phòng thực hành Bộ mơn Kỹ thuật nhiệt - Khoa Cơ khí Trường Đại học Giao thơng Vận tải có ký hiệu HTS-GT-01 Thiết bị bao gồm 02 máy nén (MN) xoắn ốc có suất lạnh 2,18 kW, sử dụng mơi chất R22 Mỗi máy nén mắc độc lập với 01 dàn ngưng tụ (NT) chính, 01 dàn bày (BH) 01 12 HTS GT-01 sử dụng thiết bị đo nhiệt độ can nhiệt loại T cho kết đồng hồ hiển thị nhiệt độ Delta DTA9696 Nhiệt độ, áp suất môi chất lạnh dàn BH đầu đẩy, đầu hút MN đo nhiệt kế, áp kế Nhiệt độ độ ẩm TNS trước sau vào TBS đo cặp nhiệt ẩm kế Khối lượng vật liệu sấy lượng ẩm tách cân cân điện tử có độ phân giải đến 0,1 g Các thiết bị đo nhiệt độ độ Số 16 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) ẩm so sánh đánh giá với thiết bị đo đa TSI sau kiểm định chất lượng TSI Tổng cục Tiêu chuẩn đo lường chất lượng Thông số cụ thể cho bảng Bảng Các thiết bị đo HTS-GT-01 Model Xuất xứ Thiết bị đo đa TSI Áp kế Cân điện tử Dải đo khối lượng, kg 0→3 Sai số, % ±1 Xuất xứ Trung Quốc Dải đo nhiệt độ, ˚C -10  60 Sai số, % ±3 Số lượng, 01  95 Đồng hồ hiển thị Delta_DTA9696 ±1 Xuất xứ Mỹ Số lượng, 01 Loại can nhiệt loại T Số lượng, Dải đo nhiệt độ,oC Sai số, % 45 -50200 2 Dải đo độ ẩm, % Sai số, % Dải đo tốc độ, m/s TSI_8347 Mỹ 030 Sai số,% ±2 Xuất xứ Trung Quốc Dải đo, bar Số lượng,  35 04 Nhiệt kế Cơ sở lựa chọn, sử dụng HTS bơm nhiệt kiểu ghép tầng HTS-GT-01, đánh giá khả tiết kiệm lượng hệ thống trình bày [2] nghiên cứu lý thuyết động học QTS [3] Ở tập trung vào giới thiệu kết nghiên cứu thực nghiệm QTS cà rốt ứng với số chế độ làm việc khác HTS-GT-01 Các kết nghiên cứu trình bày 2.2 Nghiên cứu thực nghiệm Các chế độ làm việc khác thiết bị sấy HTS-GT-01 phân từ 1-9, ứng với điều kiện đóng (OFF) mở (ON) thiết bị hệ thống, chế độ cho bảng Hình Hệ thống sấy HTS-GT-01 Số 16 VLS cà rốt có thơng số sau: chiều dày 20 = 10 mm; đường kính trung bình D = 50 mm; độ chứa ẩm ban đầu trung bình VLS M0 = 6,33 kg/kgVLK 13 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) hay w0 = 86,4%; độ chứa ẩm cuối Mend = 0,136 kg/kgVLK ứng với wend = 12% Điều chỉnh nhiệt độ TNS hệ thống sấy bơm nhiệt thường phụ thuộc nhiều yếu tố, HTS-GT-01 thực nghiệm tiến hành với điều kiện làm việc hoàn toàn ON OFF thiết bị bảng Nhiệt độ TNS dao động phạm vi từ 40oC50oC Tốc độ TNS lựa chọn 1,5 m/s nhiệt chậm làm tăng nhiệt độ TNS trước vào TBS dẫn đến sấy tiếp tục tăng cao, nhiệt độ trung bình TNS chế độ đo 48,8oC Bên cạnh nhiệt độ chế độ 43,9oC, nhiệt độ chế độ đạt 46,2oC Bảng Chế độ vận hành HTS-GT-01 Hoạt động dàn trao đổi nhiệt TT NT2 NP2 NT1 NP1 BH2 BH1 ON OFF ON OFF ON ON ON OFF ON ON_KQ ON ON ON OFF ON ON_CQ ON ON ON ON_KQ ON ON_KQ ON ON ON ON_KQ ON ON_CQ ON ON ON ON_CQ ON ON_CQ ON ON ON OFF OFF OFF ON OFF ON ON_KQ OFF OFF ON OFF ON ON_CQ OFF OFF ON OFF 2.2.1 Kết thực nghiệm HTS-GT-01 hoạt động BH tương ứng thứ tự 1-3 bảng Kết thực nghiệm QTS cà rốt HTS-GT-01 hoạt động chế độ 1-3, tức BH hoạt động biểu diễn đồ thị hình TGS nhanh chế độ với 430 phút để độ ẩm VLS đạt tới 12%, lâu chế độ với 515 phút sấy nằm hai chế độ chế độ cần 490 phút để kết thúc Điều có chế độ 2, dàn NP1 giải 14 Hình Đường cong sấy với chế độ vận hành từ 1-3 Mặt khác, theo kết thí nghiệm chế độ không xuất giai đoạn đốt nóng giai đoạn tốc độ sấy khơng đổi Ở chúng nằm giai đoạn tốc độ sấy giảm dần, hình Tuy nhiên, đường cong biểu diễn giá trị tốc độ sấy chế độ cao giảm nhanh Tốc độ sấy lớn chế độ 0,0365 kg/kgVLK.s, chế độ 0,0261 0,0258 kg.kgVLK.s Tất tốc độ nằm khoảng thời gian QTS, điều lúc đầu, độ ẩm VLS lớn, sấy cao nên ẩm dễ bay ngồi Số 16 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Tốc độ sấy ba chế độ có giá trị trung bình 0,0235, 0,0246 0,0202 g/kgVLK tương ứng với chế độ 7, Trong giá trị lớn ghi nhận chế độ 0,0553 g/kgVLK, chế độ 0,046 g/kgVLK 0,0453 g/kgVLK chế độ Hình Đường cong tốc độ sấy chế độ vận hành 1-3 2.2.2 Kết thực nghiệm HTS-GT-01 hoạt động BH tương ứng thứ tự 7-9 bảng Khi có BH làm việc (chế độ 7-9), kết cho thấy chúng có chung đặc điểm TGS để độ ẩm VLS đạt tới 12% tốn nhiều thời gian so với chế độ BH làm việc Nguyên nhân có BH làm việc nên khả tách ẩm thiết bị giảm xuống Trên hình thể đường cong sấy ba chế độ thực nghiệm chế độ 7, Kéo dài 675 phút, chế độ ngắn với 575 phút ngắn cần 550 phút chế độ Nhiệt độ trung bình TNS 39,9oC, 49,6oC 42,8oC cho chế độ 9, 2.2.3 Kết thực nghiệm HTS-GT-01 hoạt động BH tương ứng thứ tự 4-7 bảng Với chế độ BH làm việc (chế độ 4-7) chế độ bậc thay đổi nhiệt độ TNS, kết thực nghiệm cho thấy TGS để độ ẩm VLS đạt tới 12% nhanh, chế độ gần có thời gian 440 phút 437 phút chế độ có 395 phút, hình Khi BH hoạt động, việc TNS biến đổi nhiệt độ theo bậc tạo điều kiện cho việc tách ẩm BH ổn định tốt so với trường hợp có BH Nhiệt độ trung bình TNS đo 48,9oC, 50,5oC 40,7oC chế độ 4, Hình Đường cong sấy với chế độ vận hành từ 4-7 Hình Đường cong sấy với chế độ vận hành từ 7-9 Số 16 Khi tính tốn tốc độ sấy, kết chế độ sấy thể tốc độ tương 15 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) đồng, độ biến thiên đường cong biểu diễn tốc độ sấy khác chủ yếu phần đầu QTS mà độ chứa ẩm TB VLS phạm vi 6,33 4,0 kg/kgVLK Sau qua giai đoạn giảm ẩm tốc độ sấy chế độ gần biến thiên nhau, khác giá trị Giá trị tốc độ sấy trung bình chế độ và 0,23 g/kgVLK.s chế độ 0,24 g/kgVLK.s vật liệu ẩm có cấu trúc dạng keo xốp mao dẫn Ở tất chế độ từ 1-6, (sử dụng BH biến thiên nhiệt độ theo bậc) làm cho khả tách ẩm hệ thống tăng lên rõ rệt so với trường hợp sử dụng 01 BH Điều thể qua giá trị tốc độ sấy phân tích Nhiệt độ TNS yếu tố định đến TGS, nhiệt độ cao TGS giảm, nhiên điều phụ thuộc vào u cầu cơng nghệ đặc tính sản phẩm sấy Các giá trị cần lựa chọn cho phù hợp với loại sản phẩm cụ thể KẾT LUẬN Hình Đường cong tốc độ sấy với chế độ vận hành từ 4-7 2.2.4 Nhận xét chung Kết nghiên cứu thực nghiệm QTS cà rốt dạng thái lát hệ thống sấy HTSGT-01 09 chế độ vận hành khác cho thấy không ghi nhận xuất giai đoạn sấy tốc độ không đổi giai đoạn đốt nóng Kết phù hợp với công bố tác giả Trần Văn Phú [4] hay Tadeusz Kudra cộng [5] đặc trưng cho Qua nghiên cứu động học QTS cà rốt dạng lát có chiều dày 1cm hệ thống sấy HTS-GT-01 báo làm rõ biến đổi ẩm cà rốt sấy, tác dụng tách ẩm tốt HTS-GT-01 làm việc chế độ có BH làm việc so với chế độ có 01 BH làm việc; Khẳng định cà rốt sấy tồn giai đoạn tốc độ sấy giảm dần, đặc trưng vật liệu keo xốp mao dẫn; Xác định chế độ làm việc hiệu đảm bảo chất lượng, màu sắc mùi vị cà rốt sấy HTS-GT-01 chế độ 5, với nhiệt độ trung bình TNS vào TBS 50,5oC, tốc độ trì 1,5 m/s TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] 16 Phạm Anh Tuấn, Nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy bơm nhiệt tuần hồn kín để nâng cao chất lượng số rau Việt Nam Luận án TSKT, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2009 Số 16 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [2] Trương Minh Thắng, Nguyễn Mạnh Hùng Nghiên cứu xây dựng mơ hình hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt hoạt động theo chu trình bậc thang phương pháp sấy tiết kiệm lượng Tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, số 40 tháng 12/2012 [3] Trương Minh Thắng, Nguyễn Mạnh Hùng Nghiên cứu động học trình sấy bơm nhiệt sở mơ hình truyền nhiệt truyền chất liên hợp có kể đến co ngót, Tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải, số 41 tháng 3/2013 [4] Trần Văn Phú Tính tốn thiết kế hệ thống sấy NXB Giáo dục, Hà Nội, 2001 [5] Tadeusz Kudra, Arun S Mujumdar (2009) Advanced Drying Technologies, 2nd Edition Taylor & Francis Group, LLC Giới thiệu tác giả: Tác giả Trương Minh Thắng tốt nghiệp Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2002 ngành công nghệ nhiệt; nhận Thạc sỹ Kỹ thuật nhiệt năm 2005, Tiến sỹ Kỹ thuật nhiệt năm 2015 Lĩnh vực nghiên cứu: truyền nhiệt - truyền chất, kỹ thuật sấy, giải toán truyền nhiệt phương pháp số; quản lý, vận hành sử dụng tiết kiệm lượng hệ thống kỹ thuật cơng trình xây dựng dân dụng Số 16 17 ... giới thiệu kết nghiên cứu thực nghiệm QTS cà rốt ứng với số chế độ làm việc khác HTS-GT-01 Các kết nghiên cứu trình bày 2.2 Nghiên cứu thực nghiệm Các chế độ làm việc khác thiết bị sấy HTS-GT-01... TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) [2] Trương Minh Thắng, Nguyễn Mạnh Hùng Nghiên cứu xây dựng mơ hình hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt hoạt động theo chu trình bậc thang phương pháp sấy tiết... lát thiết bị bơm nhiệt kiểu bậc thang HTS-GT-01 tác giả xây dựng Hình Sơ đồ bố trí điểm đo HTS GT-01 GIẢI QUYÊT VẤN ĐỀ 2.1 Giới thiệu thiết bị sấy HTS-GT-01 Thiết bị sấy bơm nhiệt kiểu ghép tầng