2.3.1. Đặc điểm bức xạ hồng ngoại
2.3.1.1. Khái niệm về bức xạ hồng ngoại
Tia hồng ngoại là loại ánh sáng đỏ khơng trơng thấy, có bản chất là sóng điện từ, với bƣớc sóng điện từ dao động từ (0,76 ÷ 1000) μm.
Nguồn bức xạ hồng ngoại đƣợc dùng có hiệu quả cao trong kỹ thuật sấy các vật liệu mỏng (bánh tráng, các loại củ đƣợc xắt lát...). Sự phân bố đƣờng đẳng nhiệt của một đèn không đều dẫn đến làm cong vênh vật liệu. Để cho vật liệu đƣợc chiếu đều cần phải bố trí khoảng cách thích hợp giữa các nguồn đèn. Để tăng hiệu suất chiếu, tiết kiệm nhiên liệu cần chọn khoảng cách chiếu tối ƣu từ nguồn đến vật liệu và chọn vật liệu thích hợp làm tƣờng ngăn cho các máy sấy hồng ngoại. Tất cả những vấn đề trên có ý nghĩa quan trọng trong việc sử dụng bức xạ hồng ngoại đến vật liệu.
2.3.1.2. Đặc điểm và tính chất của tia hồng ngoại
Tia hồng ngoại truyền theo đƣờng thẳng từ nguồn phát ra nó, tia hồng ngoại truyền đi với vận tốc ánh sáng, khơng đốt nóng khơng khí mà nó đi qua.
Khi một vật phát ra bức xạ hồng ngoại thì một phần khơng đáng kể các tia hồng ngoại đƣợc hấp thụ bởi CO2, hơi nƣớc và một số hạt khác ở trong khơng khí.
Cƣờng độ bức xạ hồng ngoại giảm dần theo khoảng cách từ nguồn phát đến vật đƣợc phát, ngồi ra nhiệt độ cũng nhƣ các thuộc tính vật lý của nó sẽ quyết định hiệu quả cũng nhƣ bƣớc sóng phát ra.
Khi năng lƣợng hồng ngoại tác động đến một số đối tƣợng nào đó thì nó sẽ làm cho các điện tử bị kích thích và dao động, sự dao động này tạo ra nhiệt và làm cho nƣớc bốc hơi nhanh.
2.3.1.3. Các nguồn phát ra tia hồng ngoại
Mọi vật có nhiệt độ lớn hơn 00K đều phát ra tia hồng ngoại.
2.3.1.4. Ứng dụng của tia hồng ngoại
Dựa vào tính chất phát nhiệt của tia hồng ngoại mà ta có thể sử dụng nguồn năng lƣợng do nó phát ra để làm bay hơi nƣớc trong thực phẩm. Ngoài ra ngƣời ta còn sử dụng tia hồng ngoại trong lĩnh vực y tế để điều trị các bệnh liên quan tới xƣơng khớp, trong lĩnh vực truyền thông dùng để truyền tải thông tin trong mạng nhỏ nhƣ là truyền thơng tin từ máy tính sang máy tính, máy tính sang điện thoại hay giữa điện thoại với điện thoại, trong lĩnh vực đo lƣờng sử dụng tia hồng ngoại để đo nhiệt độ của vật từ xa.
2.3.2. Sấy bằng bức xạ hồng ngoại
Sấy bức xạ hồng ngoại là phƣơng pháp sấy vật liệu ẩm sử dụng nguồn phát ra tia hồng ngoại là tác nhân chính để làm bay hơi nƣớc có trong thực phẩm.
2.3.3. Cơ chế sấy khô vật liệu ẩm bằng bức xạ hồng ngoại
Nguyên nhân vì sao mà năng lƣợng của bóng đèn hồng ngoại lại có thể làm bay hơi nƣớc có trong vật liệu ẩm, từ đó làm khơ đƣợc các vật liệu đó. Sau đây chúng ta sẽ đi tìm hiểu sâu về cơ chế làm khô của bức xạ hồng ngoại, khi chúng tác dụng tới các loại vật liệu ẩm.
Nhƣ chúng ta đã biết, hầu hết các loại vật liệu ẩm đều đƣợc cấu tạo từ nƣớc và các hợp chất hữu cơ. Bên cạnh đó tại cùng một điều kiện giống nhau thì nƣớc và các loại hợp chất hữu cơ này, lại hấp thụ năng lƣợng cực đại của bức xạ hồng ngoại do nguồn phát phát ra, ở những bƣớc sóng khác nhau. Và đây cũng chính là một đặc điểm rất quan trọng để từ đó, chúng ta có thể lợi dụng để điều chỉnh năng lƣợng bức xạ về bƣớc sóng thích hợp, mà tại đó nƣớc ở trong vật liệu ẩm bay hơi càng nhiều càng tốt. Khi chúng ta cấp điện cho bóng đèn hồng ngoại thì đèn sẽ phát sáng và sản sinh ra các tia hồng ngoại chiếu tới vật liệu ẩm trong phịng sấy. Do đó khi nhận đƣợc nguồn năng
lƣợng bức xạ mà đèn hồng ngoại chiếu tới, thì nội năng của nƣớc trong vật liệu ẩm sẽ tăng lên nhanh chóng, vì thế ma sát giữa các phân tử nƣớc sẽ tăng lên dẫn đến nhiệt độ của nƣớc tăng lên gần tới nhiệt độ sơi và sau đó nƣớc sẽ dần bốc hơi theo chiều hƣớng tâm từ vật liệu ẩm ra ngồi mơi trƣờng xung quanh. Trong khi đó các hợp chất hữu cơ cấu thành nên các vật liệu ẩm đó giống nhƣ những vật trong suốt và hấp thụ không đáng kể bức xạ hồng ngoại chiếu tới. Vì thế nếu các hợp chất hữu cơ cấu tạo nên vật liệu ẩm đó là các loại thực phẩm thì chúng cũng khơng bị ảnh hƣởng của bƣớc sóng hồng ngoại về tới bƣớc sóng hồng ngoại tác động đến. Trên thực tế, việc điều chỉnh năng lƣợng bức xạ của tia hồng ngoại về tới bƣớc sóng mà nƣớc tự do trong vật liệu ẩm hấp thụ cực đại là hồn tồn thực hiện đƣợc, vì chúng ta có mối quan hệ giữa bƣớc sóng và nhiệt độ của bóng đèn hồng ngoại là: λmax =
T
2886 (theo định luật Vien). Cụ
thể từ cơng thức này chúng ta có thể chủ động điều khiển nhiệt độ bóng đèn có thể thu đƣợc bƣớc sóng phù hợp, bƣớc sóng phù hợp theo nhƣ nghiên cứu là vào khoảng (2,5 ÷ 3,5) μm và đây cũng chính là khoảng cách bƣớc sóng mà nƣớc hấp thụ cực đại.
Ngoài ra khả năng làm bay hơi nƣớc tự do bằng bƣớc sóng thì nhiệt độ cũng đóng vai trị quan trọng vào q trình làm khơ vật liệu ẩm, do tính chất nhiệt mà tia hồng ngoại sinh ra. Vậy chúng ta có thể thấy rõ ràng là có hai tác nhân chính để làm khơ vật liệu ẩm đó là: Bƣớc sóng của tia hồng ngoại và nhiệt độ do tia hồng ngoại phát ra. Và đây cũng chính là đặc điểm quan trọng làm tăng tốc độ q trình sấy từ đó làm giảm đáng kể thời gian sấy, góp phần tăng hiệu quả của q trình sấy nên rất nhiều.
2.3.4. Cơng nghệ sấy bức xạ hồng ngoại
Công nghệ sấy bức xạ hồng ngoại sử dụng năng lƣợng của các tia bức xạ phát ra từ vật bức xạ để làm nóng vật liệu sấy đến nhiệt độ bay hơi ẩm khỏi vật sấy. Nhiệt lƣợng cung cấp cho vật liệu sấy nóng dần lên và làm ẩm bốc hơi đƣợc lấy từ năng lƣợng của các tia bức xạ. Vì vậy cƣờng độ và đặc tính của q trình truyền nhiệt và truyền khối trong sấy bức xạ đƣợc xác định bởi quang phổ bức xạ của vật phát ra bức xạ và khả năng hấp thụ năng lƣợng bức xạ của vật liệu sấy.
Trong hệ thống sấy bức xạ, vật liệu sấy nhận nhiệt từ nguồn bức xạ để ẩm dịch chuyển từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt khuếch tán ra môi trƣờng. Quá trình làm nóng vật sấy đƣợc thực hiện bằng cách chiếu các tia hồng ngoại lên sản phẩm. Nguồn phát tia hồng ngoại là các đèn đặc biệt có trang bị các bộ phận phản xạ để định hƣớng các tia vào sản phẩm sấy. Phƣơng pháp này có hiện tƣợng quá nhiệt của sản phẩm vì thế lớp bề mặt nóng nhanh hơn bên trong nên không dùng để sấy các vật liệu có bề dày, [14], [15], [16].
Đối với cơng nghệ sấy bức xạ hồng ngoại cũng xảy ra ba giai đoạn.
Giai đoạn làm nóng vật: giai đoạn này bắt đầu khi đƣa vật vào buồng sấy tiếp xúc
với môi trƣờng sấy, kết thúc khi nhiệt độ môi trƣờng đạt nhiệt độ kế ƣớt. Trong quá trình gia nhiệt tồn bộ vật đƣợc gia nhiệt, độ ẩm của vật có giảm nhƣng thấp.
Giai đoạn sấy tốc độ không đổi: kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ môi trƣờng
sấy bằng nhiệt độ kế ƣớt. Tiếp tục cung cấp, ẩm trong vật sẽ hóa hơi. Ẩm hóa hơi này là nƣớc tự do ở bên trong vật di chuyển ra lớp vật liệu sát bề mặt vật liệu sấy.
Giai đoạn sấy tốc độ giảm dần: khi ẩm tự do bay hết còn lại trong vật là ẩm liên
kết. Năng lƣợng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn ẩm tự do và càng tăng lên khi độ ẩm của vật giảm. Quá trình sấy tiếp diễn độ ẩm của vật càng giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho tới khi độ ẩm trong vật liệu sấy cân bằng với độ ẩm của khơng khí ẩm trong buồng sấy. Lúc này q trình thốt ẩm của vật dừng lại.
2.3.5. Hệ thống thiết bị sấy hồng ngoại
Hệ thống thiết bị sấy hồng ngoại thông thƣờng gồm hai loại: thiết bị sấy tĩnh và thiết bị sấy động (sấy băng tải), [2], [3].
Thiết bị sấy tĩnh: thiết bị này rất đơn giản, thông thƣờng là sấy gián đoạn. Sản
phẩm sấy đƣợc xếp khay rồi đặt vào buồng sấy sau đó cài đặt chế độ sấy. Khi thời gian sấy đạt yêu cầu ta lấy sản phẩm ra rồi sấy mẻ tiếp theo.
Thiết bị sấy băng tải: đây là thiết bị sấy liên tục, nguyên liệu vào một đầu sản
phẩm sẽ ra một đầu, tốc độ băng tải và thời gian lƣu của vật liệu sấy phải phù hợp để khi ra khỏi băng tải sản phẩm phải đạt đƣợc độ ẩm yêu cầu. Nhƣ vậy, vận tốc băng tải phải điều chỉnh đƣợc, vì khi sấy vật liệu khác nhau, bề dày khác nhau thì thời gian
lƣu phải khác nhau, (hình 2.3).
Hình 2.3. Thiết bị sấy bằng bức xạ hồng ngoại dạng băng tải
Hệ thống đèn hồng ngoại trong hệ thống sấy: đƣợc bố trí song song nhau và cách
đều nhau để đảm bảo cƣờng độ bức xạ đồng đều, trƣờng nhiệt độ môi trƣờng sấy đồng đều làm tăng khả năng cấp nhiệt và tách ẩm trong quá trình sấy, hình 2.4 [14],
[15], [16].
Hình 2.4. Cách bố trí đèn hồng ngoại trong hệ thống sấy 2.3.5.1. Ƣu nhƣợc điểm của sấy hồng ngoại 2.3.5.1. Ƣu nhƣợc điểm của sấy hồng ngoại
Ƣu điểm
Sấy hồng ngoại có nhiều ƣu điểm sau:
Sản phẩm thu đƣợc trong quá trình sấy khơ bằng bức xạ hồng ngoại ít bị tổn thất về chất lƣợng, mùi vị, hàm lƣợng các loại vitamin đƣợc bảo toàn đồng thời sản phẩm lại đƣợc đảm bảo về mặt vệ sinh thực phẩm tốt, nguyên nhân là các chất dinh dƣỡng có trong thực phẩm chủ yếu là các hợp chất hữu cơ. Mà chất hữu cơ này lại khơng hấp thụ, hay hấp thụ rất ít bƣớc sóng hồng ngoại vì thế chúng khơng bị tổn thất trong suốt q trình sấy.
thực cao, đƣợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực nhƣ nông sản, sấy các loại hạt, rau quả, hạt giống để bảo quản và gieo trồng nhất là trong lĩnh vực chế biến bảo quản nông sản. Trong y học sử dụng công nghệ này sấy các đối tƣợng sinh học quan trọng nhƣ enzyme, mơ động vật, protein đảm bảo đƣợc tính chất sản phẩm đạt chất lƣợng vệ sinh cao. Thích hợp để sấy các loại vật liệu sấy yêu cầu chất lƣợng cao, có thể sấy ở nhiệt độ thấp hoặc nhiệt độ cao tùy yêu cầu sản phẩm.
Sản phẩm bảo quản lâu và ít bị tác động bởi điều kiện bên ngoài.
Sấy bằng bức xạ hồng ngoại làm tăng tốc q trình sấy, do đó rút ngắn q trình sấy và đây cũng là một đặc điểm ƣu việt của sấy bằng bức xạ hồng ngoại so với các phƣơng pháp sấy khác. Nguyên nhân là vì các phƣơng pháp sấy khác chỉ có duy nhất một tác nhân sấy cịn sấy bằng bức xạ hồng ngoại sử dụng đến hai tác nhân sấy đó là bƣớc sóng và nhiệt độ của bức xạ hồng ngoại.
Dễ chế tạo và dễ kiểm sốt tồn bộ q trình sấy.
Bức xạ hồng ngoại là một phƣơng pháp gia nhiệt an toàn, an toàn đối với ngƣời và môi trƣờng.
Đặc biệt bức xạ hồng ngoại có khả năng tiêu diệt cơn trùng, vi sinh vật có hại ngay cả ở nhiệt độ thấp.
Nhƣợc điểm
Trong quá trình sấy bằng bức xạ hồng ngoại thì cƣờng độ trao đổi nhiệt rất lớn làm cho ẩm trên bề mặt bay hơi nhanh hơn nhiều so với bên trong tâm vật liệu, làm cho bề mặt vật liệu khô rất nhanh trong khi bên trong tâm ẩm vẫn còn cao do khả năng xuyên thấu kém (7 ÷ 30) mm. Để khắc phục nhƣợc điểm này thì ngun liệu phải mỏng (10 ÷ 15) mm.
Một nhƣợc điểm khác nữa của sấy bức xạ hồng ngoại là làm cho vật liệu bị cong vênh, mất tính cảm quan, [2], [3], [14], [15], [16].