Loại thiết bị này cú ưu điểm là: cấu tạo đơn giản hơn, vốn đầu tư cho thiết bị thấp hơn, kỹ thuật vận hành khụng phức tạp. Nhưng lại cú nhược điểm đú là phải thực hiện một số thao tỏc thủ cụng như đưa nguyờn liệu vào và lấy sản phẩm ra.
2.4. Tớnh toỏn thiết bị sấy
2.4.1. Cơ sở vật lý của quỏ trỡnh sấy
Sấy là quỏ trỡnh nước từ vật liệu ẩm khuyếch tỏn, bốc hơi ra khụng khớ xung quanh nú. Quỏ trỡnh này được thực hiện do sự chờnh lệch ỏp suất hơi nước ở mụi trường xung quanh và trờn bề mặt vật liệu ẩm. Để làm cho lượng ẩm trờn bề mặt sản phẩm bốc hơi cần cú điều kiện :
Pm > Pk
Pm - Pk = P Pm- ỏp suất hơi nước trờn bề mặt vật liệu;
Pk - ỏp suất riờng phần của hơi nước trong khụng khớ; P - động lực của quỏ trỡnh sấy.
được thực hiện nhanh hơn.
Như vậy, quỏ trỡnh bốc hơi nước ra khụng khớ xung quanh phụ thuộc vào cả Pm và Pk, trong đú Pm phụ thuộc vào nhiệt độ sấy, độ ẩm ban đầu của vật liệu và tớnh chất liờn kết của nước trong vật liệu, cũn Pk phụ thuộc chủ yếu vào lượng hơi nước cú trong khụng khớ.
Trong vật liệu ẩm nước tồn tại ở hai trạng thỏi : liờn kết và tự do. ở cả hai dạng ẩm đú, nước đều cú thể khuếch tỏn và bốc hơi ra khụng khớ. Nước liờn kết do được giữ bởi lực liờn kết húa học rất lớn nờn rất khú bay hơi. Nước này chỉ bay hơi khi vật liệu được đốt núng ở nhiệt độ cao và trong quỏ trỡnh bay hơi thường gõy nờn sự biến đổi cấu trỳc phõn tử của vật liệu.
Do tớnh chất hỳt, nhả ẩm của vật liệu trong khụng khớ nờn giữa độ ẩm trong vật liệu và trong khụng khớ luụn cú quỏ trỡnh cõn bằng động.
Nếu Pm > Pk thỡ lượng ẩm trờn bề mặt sản phẩm bốc hơi vào trong khụng khớ làm cho ỏp suất hơi trờn bề mặt vật liệu Pm giảm xuống. Từ trong vật liệu nước sẽ được khuyếch tỏn ra bề mặt và bốc hơi thiết lập cõn bằng mới giữa ỏp suất bề mặt và độ ẩm. Độ ẩm của vật liệu được giảm dần theo quỏ trỡnh ấy. Theo mức độ khụ của vật liệu, sự bốc hơi nước chậm dần và tới khi độ ẩm cũn lại của vật liệu đạt tới một giỏ trị nào đú, cũn gọi là độ ẩm cõn bằng wcb, khi đú P = 0, nghĩa là Pm = Pk thỡ quỏ trỡnh sấy ngừng lại.
Nếu Pm < Pk thỡ ngược lại vật liệu sẽ hỳt ẩm và quỏ trỡnh này được gọi là quỏ trỡnh hấp thụ nước, nú được diễn ra cho đến khi độ ẩm của vật liệu đạt tới trị số độ ẩm cõn bằng thỡ dừng lại.
Quỏ trỡnh nước từ vật liệu ẩm bay hơi, kốm theo sự thu nhiệt. Vỡ thế, nếu khụng cú sự đốt núng, cung cấp nhiệt từ ngoài vào thỡ nhiệt độ của vật liệu giảm xuống. Khi nhiệt độ giảm sẽ làm giảm ỏp xuất hơi trờn bề mặt, dẫn đến làm chậm tốc độ bốc hơi nước. Do đú, muốn sấy nhanh, phải cung cấp lượng nhiệt từ ngoài vào để làm tăng nhiệt độ của vật liệu sấy.
Qui luật thay đổi độ ẩm được đỏnh giỏ bằng tốc độ sấy, đú là tốc độ khuếch tỏn của nước từ vật liệu ra khụng khớ. Tốc độ sấy được xỏc định bằng lượng nước bốc hơi từ 1m2 bề mặt hay từ 1kg vật liệu ẩm trong một đơn vị thời gian :
Us WF F
hay Us W
G
Us- tốc độ sấy, kg/m2.h hay ( kg/kg.h);
W- lượng hơi nước bốc hơi từ bề mặt vật liệu cú diện tớch F(m2) hay từ G(kg) vật liệu trong thời gian (h).
Khi tốc độ sấy cao, nghĩa là thời gian cần làm khụ vật liệu ngắn, năng suất thiết bị sấy cao. Cho tới nay vẫn chưa cú những phương phỏp hoàn chỉnh để tớnh toỏn lựa chọn trước tốc độ sấy, vỡ nú chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố biến đổi trong quỏ trỡnh sấy. Người ta chỉ cú thể tớnh toỏn tương đối chớnh xỏc trờn cơ sở cỏc đường cong sấy được vẽ theo kết quả thực nghiệm cho từng loại vật liệu trong những điều kiện nhất định như : nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ chuyển động của tỏc nhõn sấy, bề dày của vật liệu sấy,.... Mặc dự vậy, qui luật thay đổi nhiệt, ẩm của phần lớn cỏc loại nụng sản đều cú dạng chung như trờn đồ thị hỡnh 2.9.
Căn cứ vào sự biến thiờn của tốc độ sấy, cú thể chia hai giai đoạn chủ yếu : tốc độ sấy khụng đổi (giai đoạn I) và tốc độ sấy giảm (giai đoạn II). Nếu căn cứ theo trỡnh tự thời gian thỡ quỏ trỡnh sấy được chia theo 3 giai đoạn :
- Giai đoạn đầu làm núng vật liệu, ứng với thời gian rất ngắn o nhằm đưa vật liệu sấy từ nhiệt độ thấp lờn nhiệt độ cao cú thể bay hơi được. ở giai đoạn này nhiệt độ vật liệu tvl tăng nhanh đồng thời tốc độ sấy Us cũng tăng nhanh nhưng độ ẩm vật liệu wvl giảm khụng đỏng kể (đoạn AB) vỡ thời gian ngắn.
- Giai đoạn thứ hai ứng với thời gian 1. ở giai đoạn này tốc độ sấy khụng thay đổi. Toàn bộ nhiệt từ khụng khớ truyền vào cho vật liệu dựng để bốc hơi nước. Nhiệt độ của vật liệu hầu như khụng đổi và bằng nhiệt độ hơi nước bốc ra. Độ ẩm vật liệu giảm xuống rất nhanh (đoạn BC).
Tốc độ sấy khụng đổi là do trong vật liệu cũn nhiều nước, lượng ẩm rời đến bề mặt vật liệu để bốc hơi tương ứng với lượng ẩm đó bốc hơi trờn bề mặt. Giai đoạn này chủ yếu làm tỏch lượng nước tự do trong vật liệu, nước bay hơi ra khỏi bề mặt vật liệu sấy tương tự như khi bay hơi từ mặt nước tự do.
E
Hỡnh 2.9. Đồ thị quỏ trỡnh sấy hạt
- Giai đoạn cuối ứng với thời gian 2. ở giai đoạn này tốc độ sấy giảm, độ ẩm của vật liệu cũng giảm dần (đoạn CD), trong khi đú nhiệt độ vật liệu tăng dần. Giai đoạn này được diễn ra cho đến khi vật liệu cú độ ẩm cõn bằng (ứng với điểm D) thỡ tốc độ sấy bằng 0, quỏ trỡnh sấy dừng lại.
Nguyờn nhõn làm cho vận tốc sấy giảm là do vật liệu đó khụ hơn, tốc độ khuyếch tỏn ẩm trong vật liệu nhỏ hơn tốc độ bay hơi nước trờn bề mặt do phải khắc phục trở lực khuyếch tỏn. Cuối giai đoạn này, lượng ẩm liờn kết bền nhất bắt đầu được tỏch ra. Nhiệt cung cấp một phần để nước tiếp tục bốc hơi, một phần để vật liệu tiếp tục núng lờn. Nhiệt độ vật liệu sấy được tăng lờn cho đến khi vật liệu đạt được độ ẩm cõn bằng thỡ nhiệt độ vật liệu bằng nhiệt độ tỏc nhõn sấy (tương ứng với điểm E). Vỡ vậy, ở giai đoạn này cần giữ nhiệt độ tỏc nhõn sấy khụng vượt quỏ nhiệt độ cho phộp của vật liệu.
2.4.2. Xỏc định cỏc thụng số cơ bản của quỏ trỡnh sấy
Đối với mỗi loại vật liệu cú thể dựng cỏc phương phỏp và thiết bị sấy khỏc nhau. Vỡ vậy, cần phải tớnh toỏn những thụng số cơ bản để cú thể điều chỉnh cho phự hợp nhằm nõng cao năng suất, chất lượng sấy. Dưới đõy là những tớnh toỏn cơ bản của quỏ trỡnh sấy đối lưu với tỏc nhõn sấy là
0 1 2 B C I II D (h) B C (h) A Wh(%)
Đường cong giảm ẩm của hạt
Đường nhiệt độ của hạt
Độ ẩm cân bằng
Đường cong tốc độ sấy
khụng khớ được đốt núng:
- Lượng nước cần được bay hơi khi sấy :
1 2 1 2 1 2 1 2 2 1 100 100 w w w w W G G G G w w , kg/h
Trong đú: G1, G2 - lượng vật liệu vào và ra khi sấy, kg/h; w1 ,w2 - độ ẩm của vật liệu vào và ra khi sấy,%. - Lượng sản phẩm khụ ứng với độ ẩm w2 thu được sau khi sấy : 1 2 1 2 100 100 w G G w , kg/h
- Lượng khụng khớ khụ cần thiết khi sấy để làm bay hơi lượng nước W là : 1 2 1000W L d d , kg/h
Trong đú: d1, d2- độ chứa ẩm của khụng khớ lỳc đầu và lỳc cuối của quỏ trỡnh sấy,g/kg. - Lượng nhiệt cung cấp cho quỏ trỡnh sấy :
Lượng nhiệt cung cấp cho quỏ trỡnh sấy Q (nhờ khụng khớ núng mang vào) : Q = Q1 + Q2 + Q3 + Q4 + Q5 , kcal/h
Q1- nhiệt lượng làm bay hơi lượng nước trong vật liệu sấy : Q1 = Wr , kcal/h Trong đú: W- lượng nước cần làm bay hơi, kg/h;
r- nhiệt húa hơi của nước ở điều kiện ỏp suất và nhiệt độ sấy, (kcal/kg); Q2- nhiệt lượng làm núng vật liệu sấy:
Q2 = GvCv(t''v - t'v) , kcal/h Trong đú: Gv- lượng vật liệu khụ sau khi sấy, kg/h
Cv- nhiệt dung riờng trung bỡnh của vật liệu sấy, kcal/kg.0C;
t'v, t''v - nhiệt độ vật liệu lỳc đầu và cuối của quỏ trỡnh đốt núng, 0C. Q3- nhiệt theo khớ thải :
Q3 = L(iđ - ic) - Wr , kcal/h
Trong đú: iđ, ic- entanpi của khụng khớ lỳc vào và ra khỏi thiết bị sấy, kcal/kg; Q4- nhiệt đốt núng thiết bị chuyền tải :
Q4 = GtbCrb(t''tb - t'tb) , kcal/h Trong đú: Gtb- khối lượng thiết bị chuyền tải đi qua buồng sấy, kg; Ctb- nhiệt dung riờng của thiết bị chuyền tải, kcal/kg.0C;
t'tb, t''tb - nhiệt độ của thiết bị chuyền tải lỳc vào và ra khỏi buồng sấy,0C. Q5- mất mỏt nhiệt từ thành thiết bị ra khụng khớ :
Q5 = FtK , kcal/h Trong đú: F - tổng diện tớch bề mặt toả nhiệt của thành buồng sấy, m2;
t- chờnh lệch nhiệt độ trung bỡnh giữa thành thiết bị và khụng khớ, 0C;
K- hệ số truyền nhiệt của cỏc bề mặt, kcal/m2.h.0C, trị số K được xỏc định theo cụng thức
1 2 1 1 1 K
Trong đú: 1, 2 - hệ số truyền nhiệt từ khụng khớ núng bờn trong vào thành và từ thành ra khụng khớ, kcal/m2.h.0C;
- chiều dày của thành buồng sấy, m;
- hệ sụ dẫn nhiệt của thành buồng sấy, kcal/m2.h.0C. - Lượng nhiờn liệu cần thiết :
1 2t t Q M Q
Trong đú: Q - Nhiệt lượng cung cấp cho quỏ trỡnh sấy, kcal/h; Qt - Nhiệt trị của nhiờn liệu, kcal/kg;
1 - Hệ số hiệu dụng của nhiờn liệu đo ở mức độ chỏy hoàn toàn, thường lấy 1 = 0,85 0,9;
2 - Hệ số sử dụng nhiệt khi đốt núng khụng khớ giỏn tiếp qua calụrife,
o k Q Q 2
Qk - Nhiệt lượng khụng khớ nhận được, kcal/h;
Qc - Nhiệt lượng do khớ chỏy từ nhiờn liệu cung cấp vào calụrife, kcal/h. - Nhiệt độ của khụng khớ chỏy trong buồng đốt được xỏc định theo cụng thức thực nghiệm :
)1 1 ( 24 , 0 85 , 0 o t k L Q t
Trong đú: Lo - Lượng khụng khớ cần thiết để đốt chỏy 1kg nhiờn liệu, kg/kg. 2.4.3. Nhiệt độ, tốc độ giảm ẩm và thời gian sấy cho phộp
Trong quỏ trỡnh sấy khụ sản phẩm, cỏc tớnh chất sinh học, lý húa, cấu trỳc cơ học và cỏc tớnh chất khỏc của sản phẩm cần phải được giữ nguyờn hoặc thay đổi rất ớt, bởi vỡ những tớnh chất này cú ý nghĩa quan trọng, xỏc định chỉ tiờu phẩm chất của nú. Để đạt được những yờu cầu trờn cần phải thực hiện đỳng chế độ sấy, nghĩa là phải đảm bảo được giỏ trị cho phộp về nhiệt độ, tốc độ giảm ẩm và thời gian sấy đối với mỗi loại sản phẩm.
Nhiệt độ sấy cho phộp là nhiệt độ tối đa chưa làm ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm. Nếu nhiệt độ cao, cỏc thành phần dinh dưỡng cú trong sản phẩm bị biến đổi, khi đú protein bị ngưng tụ, cỏc chất bột bị hồ húa, vitamin bị phõn hủy,... dẫn đến giảm giỏ trị dinh dưỡng của sản phẩm. Những biến đổi này càng lớn khi nhiệt độ sấy càng cao và thời gian kộo dài.
Tốc độ giảm ẩm cho phộp là giới hạn tối đa của tốc độ giảm ẩm trung bỡnh chưa gõy ra hư hỏng sản phẩm trong quỏ trỡnh sấy. Quỏ trỡnh giảm ẩm khi sấy, kốm theo những biến đổi tớnh chất vật lý, húa học và cấu trỳc của sản phẩm. Vớ dụ như : độ dẫn điện và nhiệt dung giảm, trọng lượng riờng, độ bền cơ học tăng, kớch thước và hỡnh dỏng cũng biến đổi gõy ra sự co kộo, dịch chuyển giữa cỏc bộ phận cấu trỳc bờn trong, biến dạng cấu trỳc tế bào, phỏ vỡ cỏc mụ,... Nếu sấy với tốc độ quỏ nhanh, những biến đổi núi trờn xảy ra mónh liệt sẽ gõy rạn nứt vỏ đối với hạt và gõy cong vờnh, mộo mú đối với rau, củ, quả,... dẫn đến giảm chất lượng của sản phẩm, giảm độ an toàn khi bảo quản và giảm giỏ trị cảm quan, ...
Thời gian sấy cho phộp là thời gian được phộp thực hiện quỏ trỡnh sấy nằm trong giới hạn khụng dài tới mức làm giảm chất lượng sản phẩm do nhiệt và khụng ngắn quỏ mức làm giảm chất lượng sản phẩm do tốc độ giảm ẩm quỏ nhanh.
Vỡ vậy để đảm bảo chất lượng, đối với mỗi loại sản phẩm cần phải xỏc định giỏ trị thớch hợp về nhiệt độ, tốc độ giảm ẩm và thời gian sấy cho phộp. Vớ dụ: khi sấy thúc, cỏc thụng số trờn được xỏc
định như sau :
Nhiệt độ sấy cho phộp : cp 25000,46 0,60,062 n v t t w , 0C v - tốc độ dũng tỏc nhõn sấy, m/s tn - nhiệt độ tỏc nhõn sấy, 0C; w - độ ẩm ban đầu của hạt, %.
Cụng thức trờn ỏp dụng trong trường hợp : w = 20 35%, tn = 60 90oC, v = 0,4 1,6m/s. Thời gian sấy cho phộp :
cp 2,5.103,8 0,0258 0,5
n
w t v
, ph
Tốc độ giảm ẩm cho phộp phụ thuộc vào độ ẩm ban đầu của hạt và thời gian sấy. Để đảm bảo tốc độ giảm ẩm thớch hợp, giảm tỷ lệ hạt nứt cần phải thực hiện sấy nhiều lần, sau mỗi lần sấy phải ủ. Khi độ ẩm ban đầu càng cao thỡ số lần sấy - ủ càng tăng. Vớ dụ : khi độ ẩm của thúc tới 23% thỡ cần thực hiện : sấy - ủ - sấy - ủ - làm nguội nhưng khi độ ẩm của thúc trờn 23% thỡ cần thực hiện : sấy - ủ - sấy - ủ - sấy - ủ - làm nguội. Mỗi lần sấy chỉ tỏch 2 2,5% ẩm, nhiệt độ tỏc nhõn sấy lần sau cao hơn lần trước. Mỗi lần ủ từ 4 24h tựy theo độ ẩm ban đầu của hạt, thời gian ủ lần sau ngắn hơn lần trước. Mục đớch ủ để giảm gradient hàm ẩm giữa trung tõm và lớp ngoài của hạt do sự chuyển ẩm từ trung tõm ra vũng ngoài. Với phương phỏp này hạt thúc ớt bị nứt nhưng thời gian sấy khụ kộo dài làm giảm năng suất mỏy. Để giảm thời gian sấy, người ta sử dụng thiết bị sấy hồi lưu hoặc thiết bị sấy liờn tục kết hợp với thụng giú cưỡng bức trong thời gian ủ, nhờ đú đó nõng cao năng suất thiết bị sấy lờn khoảng 15%.
Chương III THIẾT BỊ LẠNH 3.1. Khỏi niệm chung, yờu cầu kỹ thuật và phõn loại 3.1.1. Khỏi niệm chung
Thiết bị lạnh và lạnh đụng cú nhiệm vụ hạ nhiệt độ sản phẩm xuống nhiệt độ lạnh hay lạnh đụng cần thiết tuỳ theo yờu cầu cụng nghệ bảo quản hoặc chế biến.
Thiết bị lạnh thường được dựng phổ biến trong cỏc kho bảo quản nhằm làm lạnh hay lạnh đụng chủ yếu đối với cỏc loại thực phẩm dạng tươi sống, nghĩa là hạ thấp nhiệt độ sản phẩm xuống dưới nhiệt độ bỡnh thường.
Làm lạnh là tạo ra cho vật thể ở trạng thỏi cú nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bỡnh thường. Nhiệt độ bỡnh thường là nhiệt độ thớch hợp cho cơ thể con người thường tờ 20 –240C, tđb < tl< t bt