4. Phương pháp nghiên cứu của đề tài
1.3.5.5. Cơ chế sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh để sấy
săn.
Cơ sở khoa học của sấy bức xạ bằng đèn hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh Sấy bức xạ hồng ngoại
Khái niệm về bức xạ hồng ngoại
Tia hồng ngoại là những bức xạ không nhìn thấy được, có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng đỏ (0,75m).
Tia hồng ngoại có bản chất là sóng điện từ. Tia hồng ngoại do các vật nung nóng phát ra.
Trong ánh sáng măt trời, có khoảng 50% năng lượng của chùm sáng thuộc về tia hồng ngoại.
Tia hồng ngoại là sóng nhiệt bức xạ, khi nguyên liệu bị chiếu thì quang tốc năng lượng bức xạ của tia hồng ngoại sẽ chuyển thành nhiệt năng rất nhanh chóng và làm cho nước bốc hơi nhanh.
Tia bức xạ có thể xuyên qua sương mù, lớp sơn, lớp dầu, thớ thit, xenlluloza... Vì vậy nó được dùng rộng rãi trong công nghiệp sấy khô.
Cơ chế sấy bằng bức xạ hồng ngoại Tia nhiệt Rx Dx Trong đó: Rx: tia khả năng phản xạ Ax: tia hấp thụ
Dx: tia xuyên qua.
Khi các vật liệu bị chiếu xạ có sự tăng nhiệt độ là kết quả của sự hấp thụ bức xạ của vật chất và sự cải biến năng lượng thành tia dưới dạng lượng tử. Khi dó năng lượng tia được phân tử vật chất hấp thụ sẽ chuyển hoá đồng thời thành năng lượng một số dạng chuyển động của vật chất. Nhưng chủ yếu là chuyển từ quang năng thành nhiệt năng.
Trong vật thể tương đối đồng nhất, có chiều dày thích hợp được chiếu xạ, nếu vật liệu có tính hấp thụ bức xạ đèn hồng ngoại tốt thì bên trong vật liệu có thể tạo ra nhiệt độ tương đối cao so với bề mặt điều đó dẫn đến xuất hiện gradien nhiệt độ lớn. Các gradien nhiệt độ này gây ra quá trình chuyển khối trong các vật thể xuất hiện sự khuếch tán làm tăng nhanh quá trình loại ẩm ra khỏi vật liệu. Phương pháp sấy vật liệu ẩm dựa trên việc nguyên cứu động lực học, quá trình vận chuyển và loại ẩm, việc xác định cuờng độ bức xạ cần thiết để tạo ra các điều kiện tối ưu cho quá trình sấy khi thấy rõ bản chất và đặt tính phổ của vật liệu, vận tốc sấy cho trước, sự phân bố của các hồng ngoại.
Cơ chế sấy bằng bức xạ hồng ngoại trước đây người ta cho rằng đó là quá trình truyền nhiệt thuần túy xảy ra mà không có sự biến đổi gì về phuơng diện lý hoá tượng như quá trình chuyển khối và truyền nhiệt của ẩm khi sấy các vật liệu ẩm. Nhưng sau này nhiều công trình nguyên cứu, người ta chứng minh được rằng, ngoài các quá trình lý hoá thuần túy cải biến năng lượng tia thành nhiệt năng ra có thể phát sinh các phản ứng hoá học bên trong lớp vật liệu đối với trường hợp sấy khô khô các lớp sơn phủ bóng bề mặt vật liệu .
Như vậy nguyên liệu có khả năng hấp thụ lớn thì sấy bức xạ càng thích hợp. Các nguyên liệu có hệ số xuyên qua bé dẫn đến làm quăng bề mặt và làm quá nhiệt bề mặt. Để tránh hiện tượng trên thì nguyên liệu sấy phải có độ dày thích hợp.
Qua thực nghiệm cho thấy đối với một số thực phẩm và một số vật liệu khác, thì khả năng hấp thụ lớn nhất lớn nhất ở bước sóng tia hồng ngoại là:
= 0,77 ÷ 340m
Cơ chế truyền nhiệt và chuyển khối trong sấy bức xạ
Nhiệt lượng cung cấp cho vật sấy nóng lên và làm ẩm bốc hơi được lấy từ năng luợng của các tia bức xạ .Vì vậy cường độ và đặc tính của quá trình truyền nhiệt và chuyển khối trong sấy bức xạ, được xác định bởi quang phổ bức xạ của vật phát ra bức xạ và khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ của vật liệu sấy. Trong sấy bức xạ người ta, dùng vật phát ra năng lượng bức xạ liên tục và cường độ cao thuộc vùng quang phổ hồng ngoại với bước sóng = 0,76 ÷ 450m. Bước sóng lớn nhất là max và cường độ quang phổ bức xạE phụ thuộc vào nhiệt độ của vật phát năng lượng bức xạ.
Theo các định luật của Planck và Vin có quan hệ như sau: C1 5 E = e T C 2 - 1
Trong đó:
1: độ đen C1 = 3,74.10-16 (W.m2) C1, C2: các hằng số Planck C2 = 1,44.10-2( m.oK)
max: Bước sóng ứng với cường độ bức xạ cao nhất Cường độ bức xạ được xác định theo định luật sau:
E = 0 E d= .Co ( 100 1 )4 Trong đó: : độ đen
Co: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối Co= 5,6687 (W.m-2.oK-4)
Ưu nhược điểm của sấy bức xạ hồng ngoại. Ưu điểm:
Rút ngắn được thời gian sấy, so với sấy bằng hơi nóng. Do đó phần nào đảm bảo được chất lượng sản phẩm, tao tác thuận tiện, dừng quá trình sấy một cách dễ dàng.
Sấy khô bằng tai hồng ngoại phần lớn năng lượng bức xạ chuyển thành nhiệt năng cần thiết làm cho bốc hơi nước, cường độ nhiệt lưu của nhiệt năng đó lớn hơn đối lưu tới 30 lần.
Gradien nhiệt độ và độ ẩm ở lớp sát bề mặt vật là cùng chiều, do đó tăng tốc độ khuếch tán nội dẫn tới tốc độ sấy tăng.
Bức xạ hồng ngoại là phương pháp gia nhiệt sạch, an toàn, vô hại đối với người và môi trường.
Dễ dàng điều khiển theo khu vực, hiệu suất sử dụng cao, chi phí vận hành lắp đặt thấp, không tốn diện tích mặt bằng.
Đối với bức xạ hồng ngoại là có khả năng tiệu diệt côn trùng, vi sinh vật có hại ngay ở nhiệt độ thấp…
Nhược điểm
Sản phẩm dễ nứt và cong vênh..Vì vậy các vật liệu như men, sứ không thích hợp sấy kiểu này.
Phương pháp sấy bức xạ hồng ngoại chỉ thích hợp với các vật liệu mỏng . Vì vậy khi dùng phương pháp này sấy khô nguyên liệu loại tương đối dày và ẩm ước thì tốc độ khử nước sẽ chậm và có khi bề ngoài bị làm khô dẫn đến nứt nẻ.
Dùng bóng đèn hồng ngoại để sấy sản phẩm
Bóng đèn phát ra tia hồng ngoại thường thấy là loại có công suất 220V - 250W và 220V - 500W. Cấu tạo dây dẫn điện và dây tóc bóng đèn, ở phía bên trong có một lớp thuỷ ngân để tập trung tia hồng ngoại và tia sáng, nâng cao hiệu suất của bóng đèn.
Hiệu suất sản sinh tia hồng ngoại của bóng đèn đạt 70% còn 30% thì chuyển thành ánh sáng nhìn thấy hoặc bị mất đi.
Diện tích chiếu của bóng đèn bé nhưng cường độ của tia hồng ngoại trong đơn vị diện tích thì rất lớn. Các bóng đèn sản sinh ra tia hồng ngoại là dòng điện đi qua yếu vì vậy nhiệt độ phát quang tuơng đối thấp. Vì nhiệt độ phát quang của bóng đèn tương đối thấp cho nên tổn thất do hiện tượng bốc hơi của dây tóc bóng đèn tương đối nhỏ đồng thời trong bóng đèn có khí trơ vì vậy sử dung tương đối bền, thường vào khoảng 5000 đến 6000 giờ.
Sấy đối lưu lạnh.
Là tách ẩm bằng không khí lạnh, ẩm tách ra từ bề mặt sấy cần được mang đi để duy trì khuếch tán ẩm từ trong ra bề mặt sản phẩm. Điều kiện để tách ẩm: không khí có độ ẩm nhỏ, tốc độ gió thích hợp cung cấp năng lượng cho quá trình.
Nguyên lý sấy đối lưu lạnh.
Không khí được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ điểm sương để ngưng tụ một phần ẩm được tách ra ngoài. Sau đó không khí đi qua dàn nóng để tăng nhiệt độ, tiếp tục được quạt gió hút vào tủ sấy. Ở trong tủ sấy sau khi thu ẩm từ sản phẩm không khí được quạt hút ra ngoài.
Ưu nhược điểm của sấy đối lưu lạnh. Ưu điểm
Tốc độ sấy tăng do áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí bé. Độ ẩm tương đối giảm đáng kể mà nhiệt độ sấy không cần tăng cao. Do nhiệt độ thấp nên tránh được quá nhiệt cục bộ, bảo vệ được mùa sắc và chất lượng sản phẩm.
Do không phụ thuộc vào độ ẩm của môi trường xung quanh, nên quá trình sản xuất lên tục, chất lượng sản phẩm đều.
Nếu như độ ẩm không khí ngoài trời thấp đạt yêu cầu thì không cho hệ thống lạnh hoạt động giảm chi phí sản xuất.
Nhược điểm
Thiết bị sấy phức tạp, chi phí sản xuất cao hơn do có sử dụng hệ thống lạnh để tách ẩm.
Mục đích của sấy kết hợp.
Mỗi phương pháp sấy có một ưu điểm vượt trội. Chính vì thế tận dụng kết hợp cả hai phương pháp để làm tăng nhanh tốc độ khuếch tán nội, khuếch tán ngoại do đó tăng tốc độ sấy giảm được thời gian sấy. Đặc biệt là điều này rất có ý nghĩa khi sấy các sản phẩm có nguồn gốc từ thuỷ sản, giảm được nhiệt độ sản phẩm do đó tránh biến tính sản phẩm và giữ được màu sắc, mùi vị, khả năng phụ hồi lại khá tốt.