Ứng dụng công nghệ sấy lạnh trong bảo quản và chế biến rau quả Việt Nam

Phương pháp sấy nóng

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.  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.

Phương pháp sấy lạnh

 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,. 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.

So sánh phương pháp sấy lạnh và phương pháp sấy nóng

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 rất cao (chỉ tiêu 1, 7), còn lại nên sử dụng phương pháp sấy lạnh bằng 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.

Ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng sản phẩm

Bản thân bơm nhiệt được quan tâm cả về khả năng khử ẩm và gia nhiệt, và điểm đặc biệt của bơm nhiệt thường được nhắc tới mà không để ý đến giai đoạn cuối của quá trình sấy. Strommen (1986) đề xuất về phần hiệu suất nhiệt, là một thiết bị cho biết độ khử ẩm của không khí.

Các ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng sản phẩm .1 Ảnh hưởng đến cấu trúc

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. 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.

Nguyên lý của hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt

Điểm (3) là trạng thái không khí sau buồng sấy. Có hai phương pháp tính toán:. a) Trường hợp tác nhân sấy hồi lưu hoàn toàn Kiểu sấy hồi lưu hoàn toàn sử dụng. Heat pump dryer, tác nhân sấy sau khí đi qua buồng sấy (trạng thái 4 được quạt hút trở về theo đường ống hồi lưu , sau đó qua dàn lạnh 5 giảm nhiệt độ đến nhiệt độ t2 (trạng thái 2) và đến nhiệt độ t3 (trạng thái 3), tại đây lượng nước ngưng tụ sẽ Hình 4.2: Mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt.

Xác định thông số của các điểm nút trên đồ thị quá trình sấy 1) Điểm 0 (Môi trường bên ngoài)

Điểm (3) là trạng thái không khí sau khi đi qua buồng sấy được hồi lưu hoàn toàn, điểm (4) trạng thái không khí trong thiết bị bay hơi, lúc bắt đầu giảm ẩm. Tác nhân sấy có ẩm độ thấp được thổi qua vật liệu sấy sẽ nhận ẩm thoát ra từ vật liệu và mang ra khỏi buồng sấy.

Điểm 4

Theo yêu cầu của đề tài ta lựa chọn vật liệu sấy là Cà rốt, Các thông số vật lý của Cà rốt. Độ ẩm cân bằng ωcb=5 % (dựa trên thực nghiệm ta xác định độ ẩm cân bằng).

Lượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm

• Xây dựng quá trình sấy thực tế trên đồ thị I-d

* Lượng nhiệt dàn lạnh thu được:. • Vật liệu sấy là Cà rốt, do tính chất của vật liệu sấy không thể sử dụng phương pháp sấy động ảnh hưởng nhiều đến chất lượng, màu sắc của sản phẩm, do đó ta lựa chọn phương pháp sấy tĩnh. • Thể tích buồng sấy: Các kích thước cơ bản là: Chiều dài L, chiều rộng B, chiều cao H. Trong đó, chiều dài L xác định theo thời gian sấy và năng suất sấy. Đối với thiết bị sấy buồng chiều dài xác định theo yêu cầu duy trì chế độ sấy đồng đều. Chiều dài càng lớn, chế độ sấy càng kém đồng đều nhưng càng tận dụng được nhiệt của môi chất. Vì vậy cần chọn hợp lý, tiết diện buồng F= B x H, m2 được xác định theo điều kiện thông gió. • Thể tích toàn bộ buồng sấy:. Trong đó: ∆V - Thể tích của các khảng trống của kênh gió và các không gian đặt quạt và các thiết bị sấy, m3. Với V đó tớnh toỏn được, ta chọn cỏc kớch thước của buồng sấy: Dàiì Rộng ì Cao là:. 4.3 Xây dựng quá trình sấy thực tế trên đồ thị I-d. Phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy:. THIẾT BỊ SẤY. Do không dùng thiết bị gia nhiệt cho không khí sau dàn nóng nên Qbs = 0. • Q5 - Nhiệt tổn thất ra môi trường theo kết cấu bao che. a) Tính nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che ra môi trường. • Buồng sấy có tường làm bằng thép có chiều dày δ =3 mm. Ta tớnh tổng diện tích xung quanh của buồng sấy:. Với: α1, α2 - hệ số toả nhiệt từ tác nhân sấy đến vách trong buồng sấy và hệ số toả nhiệt từ vách ngoài tới không khí bên ngoài , W/m2K. Để xác định α1, α2 ta dùng phương pháp lặp. • Hệ số toả nhiệt α1 được xác định theo công thức kinh nghiệm sau:. Vậy mật độ dòng nhiệt truyền qua. • Nhiệt độ vách ngoài tường được xác định theo công thức:. - Công thức tính Nusselt:. Sai số này rất nhỏ nên các kết quả tính trên có thể chấp nhận được. * Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi qm. * Tổn thất nhiệt để làm nóng khay sấy qvc. Ta có thông số của nhôm là: CAl. • Vậy tổng diện tích khay sấy là. • Khối lượng nhôm để làm khay sấy. Quá trình sấy thuộc dạng mà nhiệt lượng bổ sung không đủ bù nhiệt lượng tổn thất.  Điểm 1: Trạng thái không khí sau dàn lạnh.  Điểm 2: Trạng thái không khí sau dàn nóng.  Điểm 3’: Trạng thái không khí sau thiết bị sấy trong trường hợp sấy thực tế.  Điểm 4’: Trạng thái không khí trong dàn lạnh trong trường hợp sấy thực tế.  3’-4’-1: Quá trình làm lạnh không khí và ngưng tụ ẩm trong dàn lạnh trong trường hợp sấy thực tế. 4.3.2 Tính toán quá trình sấy thực tế a) Thông số tại các điểm nút của đồ thị.

Điểm 0, 1, 2

 Điểm 1: Trạng thái không khí sau dàn lạnh.  Điểm 2: Trạng thái không khí sau dàn nóng.  Điểm 3’: Trạng thái không khí sau thiết bị sấy trong trường hợp sấy thực tế.  Điểm 4’: Trạng thái không khí trong dàn lạnh trong trường hợp sấy thực tế.  3’-4’-1: Quá trình làm lạnh không khí và ngưng tụ ẩm trong dàn lạnh trong trường hợp sấy thực tế. 4.3.2 Tính toán quá trình sấy thực tế a) Thông số tại các điểm nút của đồ thị.

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM NHIỆT

• Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt
• Lưu lượng môi chất tuần hoàn qua hệ thống
• Tổn thất năng lượng và công suất động cơ

* Lượng nhiệt dàn lạnh thu được:. * Năng suất lạnh dàn lạnh cung cấp để làm lạnh:. nhiệt cần phải chắc chắn, tuổi thọ cao, chạy êm và cần phải có hiệu suất cao trong điều kiện thiếu hoặc đủ tải. Các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản trong bơm nhiệt là thiết bị bay hơi và 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 chế độ điều hoà nhiệt độ. 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 hư hỏng thiết bị khi chế độ làm việc vượt quá giới hạn cho phép. Đối với van tiết lưu, bơm nhiệt có chế độ làm việc khác máy lạnh nên cũng cần có van tiết lưu phù hợp. Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt là những thiết bị hổ 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…. • 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. • 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 còn có thể sử dụng dàn bay hơi đặt ngoài không khí, dàn bay hơi sử dụng nước giếng là môi trường cấp nhiệt. Còn 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 hổ 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. Môi chất của bơm nhiệt cũng có yêu cầu như đối với máy lạnh. So sánh khả năng ứng dụng rộng rãi và ưu điểm nổi bật của các môi chất nhiệt ta chọn R22 làm môi chất lạnh cho bơm nhiệt. Dàn ngưng của bơm nhiệt có nhiệm vụ gia nhiệt cho không khí nên môi trường làm mát dàn ngưng chính là tác nhân sấy. Gọi - tw2 là nhiệt độ không khí ra khỏi dàn ngưng. Khi đó, nhiệt độ ngưng tụ của môi chất là:. Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh có thể lấy như sau:. tb - nhiệt độ không khí sau dàn bay hơi. Như vậy nhiệt độ sôi của môi chất lạnh là:. Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng người ta phải đảm bảo hơi hút vào máy nén nhất thiết phải là hơi quá nhiệt. Vậy nhiệt độ hơi hút là:. Với nhiệt độ bay hơi t0 và nhiệt độ ngưng tụ tk đã chọn, tra bảng tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hòa ta có áp suất bay hơi và ngưng tụ tương ứng là:. b) Sơ đồ, nguyên lý làm việc. Lỏng 3’ đi vào van tiết lưu giảm áp suất xuống áp suất bay hơi p0 (điểm 4) rồi đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt của tác nhân sấy vừa ra khỏi buồng sấy, hóa hơi đẳng áp đẳng nhiệt thành hơi bão hòa ẩm và chu trình lại tiếp tục. c) Xây dựng đồ thị và lập bảng xác định các giá trị tại các điểm nút 1. TL: Tiết Lưu BH: Bay hơi HN: Hồi nhiệt NT: Ngưng tụ. Các quá trình:. o 2-3: Làm mát và ngưng tụ đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bi ngưng tụ o 3-3’: Quá lạnh lỏng cao áp trong thiết bị hồi nhiệt. o 4-1 : Quá trình bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bị bay hơi a) Bảng các thông số tại các điểm nút của đồ thị. Tra bảng các tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hòa và bảng các tính chất nhiệt động của hơi quá nhiệt R22 –Ta có bảng các thông số nhiệt động của môi chất trên đồ thị như sau:. Bảng 4.1: Thông số trạng thái các điểm nút. Hơi bão hòa khô x=1 Hơi quá nhiệt. Hơi quá nhiệt Lỏng sôi, x=0 Lỏng chưa sôi Hơi bão hòa ẩm. Nhiệt độ điểm 3’ được xác định theo phương trình cân bằng nhiệt trong thiết bị hồi nhiệt với giả thiết bỏ qua các tổn thất. e) Tính toán chu trình. Lưu lượng môi chất tuần hoàn qua hệ thống. Lưu lượng môi chất tuần hoàn được xác định dựa vào năng suất lạnh của dàn bay hơi Q0 và công suất nhiệt Qk của dàn ngưng tụ. • Vậy công suất dàn ngưng của bơm nhiệt:. • Công suất dàn bay hơi của bơm nhiệt:. Do môi chất tuần hoàn trong bơm nhiệt nên lưu lượng môi chất qua dàn nóng và dàn lạnh bằng nhau. • Lưu lượng môi chất qua dàn lạnh:. • Lưu lượng môi chất qua dàn nóng:. Ta thấy lưu lượng môi chất qua dàn nóng và dàn lạnh theo tính toán không bằng nhau. Do đó để đảm bảo công suất của toàn hệ thống thì ta chọn lưu lượng lớn nhất. Khi đó công suất nhiệt sẽ là:. Phụ tải của thiết bị hồi nhiệt:. Công tiêu thụ của máy nén:. Hệ số nhiệt của bơm nhiệt: Do sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh nên hệ số nhiệt của bơm nhiệt được tính theo công thức:. 5.5 Tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt. của bơm nhiệt. có công dụng. gia nhiệt cho. không khí trước khi vào buồng sấy từ trạng thái bão hòa sau dàn lạnh đến nhiệt độ và độ ẩm yêu cầu trong quá trình sấy. Việc sử dụng dàn ngưng của bơm nhiệt để thay thế cho thiết bị gia nhiệt sẽ làm giảm chi phí điện năng của hệ thống, qua đó làm giảm chi phí lắp đặt và vận hành của hệ thống sấy dùng bơm nhiệt. b) Phương pháp thiết kế dàn ngưng. Chọn loại dàn ngưng: Ta chọn loại dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí đối lưu cưỡng bức. Cấu tạo gồm một dàn ống trao đổi nhiệt bằng thép hoặc ống đồng có cánh nhôm hoặc sắt bên ngoài, bước cánh nằm trong khoảng 3 – 10 mm. Cấu tạo của thiết bị như hình vẽ sau:.  Chọn ống cho dàn ngưng: Do môi chất là Freon R22 nên ta chọn ống đồng cánh nhôm để làm ống dẫn môi chất trong dàn ngưng. Các ống có cánh thường có thông số:.  Các thông số cho trước.  Tính diện tích trao đổi nhiệt. Tính độ chênh nhiệt độ trung bình. Khi tính toán có thể coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là không đổi và bằng tk. Độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức:. Xác định hệ số truyền nhiệt k. Lúc đó hệ số truyền nhiệt k có thể tính theo công thức:. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức:. Hệ số làm cánh được tính theo công thức:. Tính hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài α2:. * F01- Diện tích phần không cánh của ống. Thay vào ta có:.  Tốc độ tại khe hẹp tính theo công thức :.  Nhiệt độ không khí trung bình:.  Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau:.  Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức với ống xếp song song:.  Hệ số toả nhiệt của cánh:.  Hệ số toả nhiệt tương đương của phía ống có cánh:. Tính hệ số trao đổi nhiệt bên trong α1:. Với hơi R22 ngưng trong ống nằm ngang ta có thể dùng công thức:. Thay các thông số vào công thức trên ta có:. Diện tích trao đổi nhiệt bên trong. Tính các thông số cụ thể của dàn ngưng.  Kích thước của dàn:. Dàn bay hơi. a) Công dụng: Dàn bay hơi có tác dụng nhận nhiệt của không khí chuyển động bên ngoài dàn làm nhiệt độ không khí giảm xuống dưới nhiệt độ đọng sương để tách một phần ẩm của không khí trước khi vào dàn bay hơi đồng thời hóa hơi môi chất chuyển động bên trong dàn lạnh từ trạng thái lỏng đến trạng thái hơi bão hòa. b) Thiết kế dàn bay hơi.