Công nghệ sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt trong bảo quản và chế biến nông sản

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

 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. 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

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.

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

Tóm lại, cơ sở của phương pháp này được thực hiện bằng cách giảm độ ẩm tương đối trong không khí để tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa hơi nước trong không khí và hơi nước trong nông sản, thực phẩm. 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 được dẫn ra ngoài.

Điểm 1 : Trạng thái không khí sau dàn lạnh

• Nhiệt độ: để tránh hiện tượng đọng sương trong buồng sấy ta phải chọn nhiệt độ t3.

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).

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

Điểm 0, 1, 2

 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
• Chọn máy nén

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. Các quá trình:. o 1-1’: Quá nhiệt hơi môi chất trong thiết bị hồi nhiệt. 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. Thiết bị ngưng tụ 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.  Đường kính của phần lỏi quấn ống (để dễ lắp đặt ta lấy khoảng hở giữa ống xoắn và lỏi quấn là δl= 5mm).  Tiết diện tự do của hơi trong thiết bị hồi nhiệt:.  Lưu lượng thể tích của môi chất:.  Tốc độ hơi môi chất trong thiết bị hồi nhiệt:. Tính toán diện tích trao đổi nhiệt.  Diện tích trao đổi nhiệt được tính từ phương trình truyền nhiệt.  Qhn - Phụ tải của thiết bị hồi nhiệt.  Tính độ chênh nhiệt độ trung bình: Trong thực tế, nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ giảm từ t2 xuống tk, giữ nguyên tk trong quá trình ngưng tụ nhưng lại giảm khi qúa lạnh. Nhưng 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:. Lúc đó hệ số truyền nhiệt k có thể tính theo công thức:. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức:. a) Xác định hệ số toả nhiệt α1.  Nhiệt độ trung bình của môi chất lỏng:. Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức:.  εs- Hệ số kể đến ảnh hưởng của bước ống.  Nhiệt độ trung bình của hơi môi chất trong thiết bị:. Thay vào công thức trên ta có hệ số truyền nhiệt:.  Diện tích trao đổi nhiệt:. 5.7 TÍNH TOÁN TRỞ LỰC VÀ CHỌN QUẠT a) Tính toán đường ống dẫn tác nhân sấy. Theo sơ đồ bố trí của hệ thống, ta cần phải chế tạo hệ thống dẫn không khí từ quạt vào buồng sấy. Diện tích mặt cắt được xác định theo công thức :. Để lựa chọn tốc độ gió thích hợp là một bài toán kinh tế kỹ thuật phức tạp. • Khi chọn tốc độ lớn thì đường kính ống nhỏ, chi phí cho đầu tư thấp, tuy nhiên trở lực của hệ thống lớn và độ ồn do khí động của dòng không khí cao. • Khi chọn tốc độ thấp thì đường kính ống lớn, chi phí cho đầu tư lớn, khó khăn cho lắp đặt nhưng độ ồn giảm. Để phù hợp với hệ thống ta chọn tốc độ gió trong kênh dẫn gió là 6 m/s. Tính lưu lượng không khí. Đường kính ống dẫn không khí. Xác định chiều dài đường ống. Chiều dài toàn bộ đường ống l, m được xác định dựa vào sơ đồ bố trí hệ thống. Theo tính toán sơ bộ thì chiều dài tổng cộng đường ống gió của hệ thống từ bộ xử lý không khí đến miệng thổi vào buồng sấy khoảng l = 3,5 m. b) Tính toán trở lực của hệ thống. Sơ đồ tính toán khí động.  Tổn thất áp suất trên đường ống gió. • Tổn thất ma sát: Tổn thất ma sát được tính theo công thức:. Trong đó: λ- Hệ số tổn thất ma sát. Với ống tôn mỏng bề mặt trong láng, tiết diện tròn và Re>105 thì:. Hệ thống đường ống gió gồm có:. • 1 van điều chỉnh gió tiết diện hình chữ nhật.  Vậy tổng tổn thất trên đường ống gió:. c) Tổn thất qua các thiết bị của hệ thống.