CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN
2.1. Cơ sở khoa học của phương pháp sấy
2.1.2. Đường cong tốc độ sấy
Như trên đã nói, đường cong tốc đ ộ sấy là quan hệ dωtb /d𝜏 = f2(𝜏) [26].
Đường cong tốc độ sấy của các vật liệu ẩm khác nhau trên hình 1.4. Nói chung
trong hai giai đoạn đầu: giai đoạn đốt nóng và giai đoạn tốc độ sấy không đổi với tất cả các vật liệu ẩm gần như nhau. Trong giai đoạn đốt nóng tốc độ sấy tăng nhanh và
đạt đến giá trị cực đại rồi giữ không đổi trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi. Đến
giai đoạn tốc độ sấy giảm dần thì tùy theo dạng liên kết ẩm mà tốc dộ sấy có thể giảm theo các đường 1, 2, 3; hay phức tạp hơn theo các đường 4, 5 hoặc 6.
Trên hình 2.2, đường 1 tương ứng với các vật liệu ẩm xốp mao dẫn có bán
kính mao dẫn lớn. Đường 2 ứng với các vật liệu ẩm xốp mao dẫn có bán kính mao dẫn bé hơn như các loại vải. Đường 3 ứng với các vật liệu có xốp mao dẫn cực bé như sành sứ. Điểm K là điểm kết thúc giai đoạn tốc độ sấy không đổi. Các đường 4, 5 và 6 đặc trưng cho các vật keo xốp mao dẫn có cấu trúc phức tạp như các loại thực phẩm. Với các VLA loại này, ngồi điểm K cịn có điểm K2 chuyển tiếp giữa hai phần của giai đoạn tốc độ sấy giảm dần.
Hình 2.2. Đường cong tốc độ sấy của các vật liệu sấy khác nhau [26] 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy 2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy
2.1.3.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ sấy
Nhiệt độ sấy càng cao thì tốc độ làm khô sẽ nhanh hơn, nhưng nhiệt độ sấy
cũng chỉ nằm trong giới hạn cho phép vì nhiệt độ cao sẽ làm ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm và bề mặt ngoài dễ bị tạo màng cứng làm cản trở đến sự dịch
chuyển ẩm từ trong ra ngoài. Nếu nhiệt độ sấy quá thấp thì q trình làm khơ sẽ chậm lại dẫn đến chất lượng sản phẩm bị giảm do sự biến đổi tính chất vật lý và hố học trong vật liệu sấy [27,28].
Nghiên cứu của Burt [29], Doe [30] cho thấy làm khô ở nhiệt độ cao đã làm cho tốc độ sấy tăng lên nhưng chất lượng sản phẩm sau khi sấy giảm xuống.
Nhiệt độ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ biến biến đổi màu sắc của vật liệu sấy. Theo kết quả nghiên cứu của Barbanti [31], cho thấy nhiệt độ
16
và thời gian xử lý nhiệt càng tăng thì phản ứng Maillard xảy ra càng mạnh. Như vậy trong q trình làm khơ phản ứng Maillard đã làm cho màu sắc của sản phẩm sấy
giảm xuống.
Nhưng nếu sấy ở nhiệt độ thấp thì thời gian sấy sẽ kéo dài dẫn đến chất
lượng bị giảm do biến đổi tính chất vật lý và hố học. Trong q trình làm khơ độ
ẩm của cà rốt sẽ giảm xuống và làm cho hoạt độ của nước giảm xuống là điều
không thể tránh khỏi. Do đó cần phải tìm những biện pháp sấy cà rốt ở điều kiện nhiệt độ thấp và thời gian sấy ngắn để hạn chế tốc độ biến đổi màu sắc của sản phẩm cà rốt sau khi sấy.
2.1.3.2. Ảnh hưởng của độ ẩm khơng khí
Độ ẩm tương đối của khơng khí là nhân tố ảnh hưởng quyết định đến quá trình làm khơ [27,28]. Độ ẩm tương đối của khơng khí càng lớn thì q trình làm
khơ sẽ chậm lại. Theo một số nghiên cứu cho thấy nếu độ ẩm tương đối của khơng khí lớn hơn 65% thì q trình làm khơ chậm lại rõ rệt và trên 80% thì quá trình làm khô dừng lại và bắt đầu xảy ra hiện tượng ngược lại, tức là quá trình nguyên liệu hút
ẩm.
Ở Việt Nam độ ẩm của khơng khí khá cao thường là trên 80%. Nếu làm khơ
tự nhiên thì thời gian sấy sẽ bị kéo dài, làm giảm chất lượng của sản phẩm. Để giảm
độ ẩm của khơng khí có thể bằng hai cách:
+ Tăng nhiệt độ của khơng khí. Tuy nhiên khi tăng nhiệt độ thì chất lượng của sản phẩm bị giảm đi nhiều như đã trình bày ở trên về ảnh hưởng của nhiệt độ.
+ Làm lạnh để tách bớt một lượng nước chứa trong khơng khí ẩm sau đó lại tăng nhiệt độ của khơng khí lên cho phù hợp để đưa vào thiết bị sấy. Đây chính là
cơ sở của phương pháp sấy lạnh để có thể hạn chế được sự giảm chất lượng của sản phẩm trong quá trình làm khơ.
Khi ra khỏi thiết bị sấy, khơng khí mang theo hơi ẩm của VLS nên độ ẩm tăng lên (thơng thường khoảng 40% ÷ 60%). Nếu khơng khí đi ra có độ ẩm q thấp thì sẽ tốn năng lượng; ngược lại, nếu quá cao sẽ dễ bị đọng sương, làm hư hỏng sản phẩm sấy. Người ta điều chỉnh độ ẩm của khơng khí ra bằng cách điều chỉnh tốc độ lưu thơng của nó và lượng VLS trong buồng sấy.
2.1.3.3. Ảnh hưởng vận tốc tác nhân sấy
Trong quá trình sấy, khơng khí có thể lưu thông tự nhiên hoặc cưỡng bức [27,28]. Trong các thiết bị sấy, khơng khí lưu thông tự nhiên với tốc độ nhỏ (nhỏ
hơn 0,4m/s), do vậy thời gian sấy thường kéo dài, làm chất lượng sản phẩm sấy không cao. Để khắc phục nhược điểm này, người ta phải dùng quạt để thơng gió
17
cưỡng bức với tốc độ trong khoảng 0,4m/s ÷ 4,0m/s trong các TBS. Nếu tốc độ gió quá lớn (trên 4,0m/s) sẽ gây tổn thất nhiệt lượng.
Vận tốc chuyển động của khơng khí chỉ ảnh hưởng đến giai đoạn sấy đẳng
tốc, nhưng sang giai đoạn sấy giảm tốc thì khơng đáng kể. Để tránh tổn hao năng
lượng cho quạt gió, vận tốc chuyển động của khơng khí nên chọn khơng lớn hơn
5m/s ở giai đoạn sấy đẳng tốc và 1m/s ở giai đoạn sấy giảm tốc.
2.1.3.4. Ảnh hưởng độ dày của lớp vật liệu sấy
Một số nghiên cứu chỉ ra rằng chiều dày của lát cà rốt ảnh hưởng nhiều đến quá trình khuếch ẩm trong vật liệu sấy, nếu chiều dày nhỏ thì quá trình khuếch tán nội và ngoại diễn ra nhanh hơn, ít sẩy ra quá trình tạo lớp sừng trên bề mặt của miếng cà rốt, chiều dày lớn thì quá trình khuếch tán nội chậm, dẫn đến tình trạng một số vị trí của miếng cà rốt khô không đồng đều.
Độ dày của lớp VLS cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy [27,28]. Lớp nguyên
liệu càng mỏng thì quá trình sấy càng nhanh và đồng đều, nhưng nếu quá mỏng sẽ làm giảm năng suất của lị sấy. Ngược lại, nếu q dày thì sẽ làm giảm sự lưu thơng của khơng khí, dẫn đến sản phẩm bị "đổ mồ hôi" do hơi ẩm đọng lại..
2.1.3.5. Các nhân tố khác ảnh hưởng đến quá trình sấy
- Bản chất của VLS: Trong mỗi VLS khác nhau có thành phần hóa học khác nhau nên có các liên kết hóa lý khác nhau, một số VLS cùng một loại nhưng tùy thuộc vào vị trí địa lý, điều kiện thời tiết..vv cũng có sự thay đổi về thành phần hóa học, do vậy khi nghiên cứu ta chọn một loại VLS được trồng ở cùng vi trí địa lý để dễ cho việc đánh giá chất lượng của sản phẩm cũng như đánh giá được quá trình sấy.
- Hình dạng VLS: tốc độ sấy tỷ lệ thuận với diện tích bề mặt của VLS, nếu bề mặt VLS càng lớn thì quá trình sấy diễn ra càng nhanh và ngược lại, ngoài ra chiều dày của VLS cũng ảnh hưởng đến tốc độ sấy vì nó ảnh hưởng đến quá trình dịch chuyển ẩm từ bên trong VLS ra bên ngoài, chiều dày VLS lớn thì quá trình khuếch tán nội diễn ra chậm nên làm cho tốc tốc độ sấy chậm và ngược lại.
- Độ ẩm ban đầu của VLS: tức là hàm lượng nước chứa trong VLS cao, nên
cần năng lượng lớn để bay hơi ẩm trong VLS ra mơi trường, để sản phẩm cuối q trình sấy đạt độ ẩm yêu theo yêu cầu công nghệ, đồng thời độ ẩm cuối của VLS
càng thấp thì quá trình sấy càng kéo dài vì ở giai đoạn ba của quá trình sấy quá trình khuếch tán nội diễn ra rất chậm, do vậy với yêu cầu công nghệ độ ẩm của sản phẩm sau khi sấy thấp thì cần một lượng lớn năng lượng cũng như thời gian sấy kéo dài
18
2.1.4. Sơ đồ thiết bị bơm nhiệt
Năm 1982, Kelvin Thomson sáng chế ra bơm nhiệt đầu tiên trên thế giới.
Song song với kỹ thuật lạnh, bơm nhiệt cũng có những bước phát triển của riêng mình. Những thành cơng lớn nhất của bơm nhiệt bắt đầu từ những năm 1940 khi
hàng loạt các bơm nhiệt công suất lớn được lắp thành công ở nhiều nước Châu Âu
để sưởi ấm, đun nước nóng và điều hịa khơng khí.
Từ khi xảy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỷ 70, bơm nhiệt
lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới. Hàng loạt các bơm nhiệt đủ mọi kích cỡ cho các ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi
trên thị trường. Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hịa khơng khí, sấy, hút ẩm, đun nước...
Phân áp suất hơi nước trong khơng khí (tác nhân sấy) được giảm bằng cách giảm lượng ẩm và độ ẩm tương đối trong tác nhân sấy để tạo ra chênh lệch phân áp suất của hơi nước trong vật sấy và tác nhân sấy. Do đó ẩm sẽ tách ra khỏi vật liệu sấy đi vào tác nhân sấy. Khi làm lạnh khơng khí trong thiết bị trao đổi nhiệt, nhiệt
độ khơng khí xuống thấp hơn nhiệt độ đọng sương thì khơng khí trở thành khơng khí bão hồ ẩm và ẩm sẽ ngưng đọng và tách ra khỏi khơng khí; độ ẩm sẽ thấp hơn
độ ẩm ban đầu, sau đó cho khơng khí đi qua dàn nóng thì khơng khí sẽ được sấy
nóng, thế sấy của khơng khí sẽ tăng lên do đó có thể sấy khơ vật sấy. Q trình xử lý khơng khí được thực hiện ở bơm nhiệt.
Hình 2.3. Sơ đồ phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt lý thuyết
Nguyên lý làm việc:
Tác nhân sấy là khơng khí ẩm được làm lạnh từ trạng thái ban đầu 1 đến
trạng thái 3, quá trình làm lạnh này có t3 < tđs=t2 ứng với trạng thái 1 của khơng khí
ẩm, phần lớn lượng nước trong khơng khí ẩm được tách ra trong giai đoạn này. Ở
trạng thái 3 khơng khí có độ ẩm ϕ= 100% và nhiệt độ rất thấp. Do đó ta phải gia 3 2 4 h d t 1 d = d1 2 d = d3 4 t = t1 4 t2 t3 Quạt Dàn nóng Dàn lạnh Buồng sấy 3 2 4 1 0 MN TL
19
nhit cho khơng khí bằng điện trở hay dàn nóng của máy lạnh đến nhiệt độ t4 (ứng với độ ẩm tương đối ϕ4 nhỏ đến giá trị cần thiết). Sau đó khơng khí ở trạng thái 4
được đưa vào buồng sấy [27,28].
Do ở trạng thái 4 khơng khí có độ chứa hơi thấp cho nên tác nhân sấy dễ
dàng hấp thụ nước từ vật liệu sấy và ra khỏi buồng sấy ở trạng thái 1. - Ưu điểm:
+ Giảm chi phí của thiết bị trong vận hành và bảo dưỡng.
+ Tận dụng triệt để nguồn năng lượng của dàn nóng và dàn lạnh.
+ Thiết bị hoạt động không bị gián đoạn do không phải thay chất hấp phụ như trong máy hấp thụ khử ẩm.
+ Tuổi thọ thiết bị cao.
+ Tiết kiệm điện năng so với phương pháp dùng máy hút ẩm hấp phụ.
+ Đảm bảo chất lượng và màu sắc của vật sấy tốt hơn so với phương pháp
sấy nóng.
+ Thích hợp để sấy khô các sản phẩm không chịu được nhiệt độ cao
- Nhược điểm: Thời gian sấy thường lâu. Để khắc phục được nhược điểm này, có thể sử dụng thiết bị sấy với tốc độ dịng khí cao. Điều này cần được nghiên cứu.
2.1.4.1.Các quá trình trong sấy bằng phương pháp bơm nhiệt:
- Quá trình làm lạnh khử ẩm: Q trình làm lạnh, làm khơ khơng khí xảy ra trong dàn lạnh của bơm nhiệt (quá trình 1-2-3), ở đó xảy ra q trình dịng khơng khí tiếp xúc với bề mặt dàn lạnh. 3 2 h d t 1 d = d 1 2 d = d3 4 t1 t2 t3 Hình 2.4. Quá trình làm lạnh TNS
TNS sau buồng sấy trạng thái 1 được hút qua dàn lạnh thực hiện quá trình làm lạnh đẳng ẩm tới trạng thái 2 (trạng thái TNS đạt nhiệt độ đọng sương), TNS tiếp
20
tục được làm lạnh dưới nhiệt độ đọng sương thực hiện quá trình tách ẩm 2-3. Lượng hơi nước sẽ ngưng tụ tại đây. Kết thúc quá trình làm lạnh, khơng khí ở trạng thái bão hồ.
- Q trình gia nhiệt TNS: Khơng khí sau khi đi qua dàn lạnh, có trạng thái 3 và
độ ẩm lúc này là khoảng 100%. Dịng khí này tiếp tục được đi qua dàn ngưng. Dịng
khí được sấy nóng đẳng dung ẩm, nên trạng thái dịng khí là điểm 4. Trạng thái
điểm 4 tuỳ thuộc vào từng thiết kế mà người ta cho đó là trạng thái tối ưu.
Cơng suất làm nóng cần thiết sẽ cho phép sử dụng tồn bộ hay chỉ một phần cơng suất dàn ngưng. Độ ẩm tương đối của dịng khí có thể đạt đến 20% hay thấp hơn. 3 4 h d t d = d3 4 t3 t4 Hình 2.5. Q trình làm nóng TNS
- Q trình hấp thụ ẩm của TNS: Sau khi qua dàn ngưng, dịng khí ở trạng thái 4 có độ ẩm tương đối thấp. Cho dịng khí đi qua các vật cần sấy, ẩm trong vật được bay hơi vào khơng khí. Q trình sấy xảy ra làm cho VLS giảm, TNS truyền nhiệt và nhận ẩm theo quá trình 4-1. Đối với quá trình sấy lạnh lý thuyết, nhiệt độ TNS
trong buồng sấy xem như khơng đổi, chỉ có độ chứa hơi của TNS tăng lên do nhận
ẩm từ vật liệu. 4 h d t 1 d = d 1 2 d = d3 4 t = t1 4
21
Ở đây TNS được hồi lưu tồn phần vì TNS ra khỏi thiết bị sấy tuy nhiệt độ
cao hơn nhiệt độ môi trường nhưng độ ẩm và dung ẩm của TNS lại nhỏ hơn khơng khí mơi trường.
2.1.4.2. Hệ số của bơm nhiệt
Để đánh giá hiệu quả chuyển hóa năng lượng, ta dùng hệ số nóng (hệ số bơm
nhiệt) với định nghĩa: Hệ số nóng ϕ là lượng nhiệt mơi chất thải ra cho nguồn nóng
ứng với một đơn vị công hỗ trợ và được biểu thị bằng [27,28].
ϕ=qk
l =q0+l
l =ε+l (2.4)
Nếu sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh kết hợp thì hiệu quả kinh tế cịn cao hơn nhiều vì chỉ cần tiêu tốn một dòng năng lượng l ta được cả năng suất lạnh q0 và năng suất nhiệt qk như mong muốn.
Gọi ϕεlà hệ số nhiệt của bơm nhiệt, thì:
ϕε=qk+q0
l =ϕ+ε=2ε+l (2.5)
Như vậy, hệ số nhiệt của bơm nhiệt là đại lượng ln lớn hơn 1. Do đó, ứng dụng của bơm nhiệt bao giờ cũng có lợi về nhiệt. Hệ số nhiệt của bơm nhiệt đóng vai trị quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả năng lượng của bơm nhiệt.
Hệ số nhiệt thực của bơm nhiệt ϕz nhỏ hơn hệ số nhiệt lý thuyết tính theo chu trình Carnot ϕc:
c
ε
ϕ ν ϕ= × (2.6)
Với hai nguồn nóng - lạnh có nhiệt độ Tk và T0, theo chu trình Carnot ta có:
ϕc= Tk Tk−T0 (2.7) 0 k k T T T ε ϕ ν= × − (2.8)
Trong đó, ν là hiệu suất exergy hay hệ số hồn nhiệt của chu trình thực. Dựa vào phương trình trên ta thấy hệ số nhiệt lý thuyết có thể tính theo chu trình Carnot phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ của thiết bị ngưng tụ và thiết bị bay hơi.
Để bơm nhiệt đạt hiệu quả kinh tế cao thì người ta phải chọn hiệu nhiệt độ ΔT sao
cho hệ số nhiệt thực tế của bơm nhiệt phải đạt từ 3 đến 4 trở lên, nghĩa là hiệu nhiệt
22
biệt người ta mới sử dụng hai cấp nén. Đó chính là sự khác biệt quan trọng giữa
bơm nhiệt và máy nén.