37
- Mật độ dịng nhiệt qua các vách đƣợc tính theo cơng thức: i n i i i n w t t q 1 1 1 ; (W/m2) [31] (2-4) 2.2. Lý thuyết về sấy [46]
2.2.1. Khái niệm về sấy
Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu bằng cách cung cấp cho vật liệu một năng lƣợng dƣới dạng nhiệt nhờ vào tác nhân sấy và thiết bị sấy. Nhiệt đƣợc cung cấp cho vật liệu bằng dẫn nhiệt, đối lƣu, bức xạ hoặc năng lƣợng điện trƣờng có tần số cao.
Mục đích của quá trình sấy là làm giảm hàm lƣợng nƣớc trong vật liệu, tăng độ bền từ đó làm tăng thời gian bảo quản, việc sấy khô giúp thuận tiện trong khâu vận chuyển do giảm đƣợc khối lƣợng.
Trong quá trình sấy nƣớc của nguyên liệu đƣợc vận chuyển từ thể lỏng sang thể hơi nhờ vào sự chênh lệch của áp suất của hơi nƣớc trên bề mặt với áp suất riêng phần của hơi nƣớc trong khơng khí. Sấy là một q trình khơng ổn định, độ ẩm của nguyên liệu thay đổi theo không gian và thời gian.
Quá trình sấy đƣợc khảo sát về hai mặt: Tĩnh lực học và động lực học.Trong tĩnh lực học, sẽ xác định đƣợc mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu sấy và các tác nhân sấy dựa trên phƣơng trình cân bằng vật chất – năng lƣợng, từ đó xác định đƣợc trạng thái vật liệu và sản phẩm, sự tiêu hao tác nhân sấy và tiêu hao nhiệt lƣợng cần thiết.
Trong động lực học, sẽ khảo sát mối quan hệ giữa sự biến thiên của độ ẩm vật liệu với thời gian và các thơng số của q trình. Ví dụ nhƣ tính chất và cấu trúc của vật liệu, kích thƣớc vật liệu, và các điều kiện thủy động lực học của tác nhân sấy…Từ đó xác định đƣợc chế độ sấy, tốc độ sấy và thời gian sấy thích hợp.
38
2.2.2. Đồ thị khơng khí ẩm của q trình sấy
Hình 2.2. Đƣờng đặc tính của khơng khí ẩm trong q trình sấy [46] a. Quá trình gia nhiệt tác nhân sấy (QT 12)
Từ hình 2.2 ta thấy: Cấp nhiệt để giảm độ ẩm của khơng khí ẩm từ đến Khơng khí ẩm nhận nhiệt, nhiệt độ của khơng khí ẩm tăng từ t1 đến t2, độ chứa hơi d = const. Trên hình 2.2 quá trình này đƣợc biểu diễn bằng đoạn 12 đi từ dƣới lên theo chiều thẳng đứng.
b. Quá trình trao đổi nhiệt giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy (QT 23).
Cho khơng khí đã đƣợc đốt nóng tiếp xúc với vật cần sấy (vật ƣớt) để cho hơi nƣớc trong nó bay hơi. Độ ẩm của khơng khí sẽ tăng từ đến nhiệt độ khơng khí giảm từ t2 xuống t3. Trên hình 2.2, quá trình đƣợc biểu diễn bằng đoạn 2-3 và theo chiều d tăng. Khi độ ẩm tăng đến 100% thì khơng khí đó hết khả năng sấy khơ, mặc dù nhiệt độ hãy cịn rất cao.
c. Tính tốn các thơng số:
+ Lƣu lƣợng khối lƣợng hơi nƣớc trên vật sấy bị lấy đi trong 1 giây là:
39
md: khối lƣợng ban đầu của vật sấy; kg mc: khối lƣợng lúc sau của vật sấy; kg : thời gian sấy
+ Lƣu lƣợng khơng khí ẩm cần thiết do quạt thổi vào buồng sấy để làm bay hơi nƣớc trong vật sấy 3 1 n k m G d d kgkk/s (2-6)
mn: khối lƣợng nƣớc bốc hơi trong vật sấy; kg
d1: độ chứa hơi tại thời điểm ban đầu của khơng khí ẩm (g/kgkk)
d3: độ chứa hơi của khơng khí ẩm sau khi bị đốt nóng và đi qua vật sấy (g/kgkk)
+ Cơng suất calorifer cần cho q trình sấy
2 1 3 1 n I I Q G d d kW (2-7)
2.2.3. Biến đổi của tơm trong q trình sấy [2], [3] 2.2.3.1. Sự biến đổi về trạng thái cơ thịt của tơm Về khối lƣợng
Do lƣợng nƣớc trong q trình sấy giảm, làm cho khối lƣợng tơm giảm xuống. Sự giảm khối lƣợng của sản phẩm đáng ra đúng bằng khối lƣợng của hàm lƣợng nƣớc mất đi, nhƣng thực tế lại nhỏ hơn. Nguyên nhân là do quá trình làm khơ sản phẩm bị oxy hóa làm cho khối lƣợng tăng lên chút ít.
Về thể tích
Do nƣớc mất đi trong q trình làm khơ, nên thể tích của ngun liệu co rút lại, mức độ co rút phụ thuộc vào phƣơng pháp làm khô. Đúng ra thể tích của nguyên liệu giảm đi bằng đúng thể tích của nƣớc mất đi nhƣng thực tế cũng nhỏ hơn. Nguyên nhân là trạng thái cơ thịt tôm ở thể keo xốp cho nên khi mất nƣớc đi, các khoảng trống của
40
mô cơ vẫn tồn tại hoặc chỉ co rút phần nào nên thể tích co rút nhỏ hơn thể tích nƣớc mất đi.
Sự biến đổi về màu sắc và mùi vị
Trong quá trình làm khô, màu sắc và mùi vị của sản phẩm cũng biến đổi. Nguyên nhân là do nguyên liệu bị mất nƣớc, thể tích co rút, hoặc bị oxy hóa, các sắc tố bị khử, điều đó là do q trình phát triển của vi sinh vật gây nên và nguyên nhân nữa là do nƣớc mất đi làm cho nồng độ các thành phần trong thịt tôm tăng lên, sản phẩm sẽ có màu đậm hơn và có mùi vị cháy khét. Phƣơng pháp làm khơ càng thơ sơ thì màu sắc, mùi vị của sản phẩm bị biến đổi càng nhiều.
Sự biến đổi về trạng thái của nguyên liệu
Trong q trình làm khơ, do mất nƣớc nên trạng thái của nguyên liệu co rút lại chặt chẽ hơn, sự biến đổi đó khác nhau theo phƣơng pháp làm khơ. Q trình làm khơ càng nhanh, trạng thái cơ thịt của nguyên liệu càng ít co rút, kết cấu cơ thịt của sản phẩm sau khi sấy xốp, mức độ hút nƣớc tốt và phục hồi lại gần giống với trạng thái ban đầu.
2.2.3.2. Sự biến đổi hóa học
Trong q trình sấy khơ, do men và vi sinh vật hoạt động phân hủy một số chất ngấm ra làm cho hàm lƣợng của chúng giảm xuống. Đối với các sản phẩm khơ mặn hoặc khơ chín, vì khi qua khâu hấp cũng làm tổn thất nhiều chất ngấm ra. Trong quá trình làm khơ, lƣợng acid amin tự do cũng giảm bớt. Q trình làm khơ càng dài, sự tổn thất của chất ngấm ra càng nhiều và các phản ứng hóa học nhƣ phản ứng thủy phân, oxy hóa… có điều kiện xảy ra làm cho mùi vị, màu sắc của sản phẩm cũng giảm theo. Vì vậy, việc làm khơ nhanh chóng là biện pháp tích cực để giảm bớt sự tổn thất của chất ngấm ra.
2.3. Lý thuyết về bức xạ hồng ngoại [4] 2.3.1. Khái niệm về bức xạ hồng ngoại 2.3.1. Khái niệm về bức xạ hồng ngoại
41
Năm 1980, khi nghiên cứu phổ mặt trời, lần đầu tiên Uliam Hersel đã phát hiện ra bức xạ nhiệt ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy. Khi di chuyển nhiệt kế trong trƣờng phổ mặt trời, thấy rằng trong vùng khơng nhìn thấy có nhiệt độ cao nhất, nó đƣợc phân bố một cách tự nhiên sau màu đỏ.
. Hình 2.3: Đƣờng cong phân bố nhiệt độ trong thí nghiệm của Hersel [4]
Trên hình 2.3. đƣờng cong R thể hiện vùng của phổ nhìn thấy đƣợc, đƣờng cong S thể hiện vùng không thấy đƣợc. Chúng đạt nhiệt độ cực đại khi kết thúc phổ nhìn thấy đƣợc, sau màu đỏ. Gọi các tia này là tia nhiệt đặc biệt, nó khác về chất lƣợng so với các tia sáng thấy đƣợc. Sau đó, Ơng chứng minh đƣợc bức xạ đó nằm trong dải hồng ngoại và tuân theo những quy luật nhƣ bức xạ nhìn thấy. Bức xạ hồng ngoại là bức xạ điện từ có bƣớc sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy đƣợc nhƣng ngắn hơn tia bức xạ vi ba. Chữ "hồng ngoại" có nghĩa là "dƣới mức đỏ", màu đỏ là màu sắc có bƣớc sóng dài nhất trong ánh sáng thƣờng. Bức xạ đƣợc hiểu là quá trình sinh hay chuyển năng lƣợng bằng các sóng điện từ. Cùng với sự sáng lập bức xạ hồng ngoại, các nhà bác học phát triển sử dụng các tia hồng ngoại trong kỹ thuật, gọi là kỹ thuật hồng ngoại
42
Tia hồng ngoại có thể đƣợc phân chia thành ba vùng theo bƣớc sóng, trong khoảng từ 0.7µm - 1 mm.
Đặc điểm của bức xạ hồng ngoại
Hình 2.4. Biểu đồ phân vùng - ánh sáng và bƣớc sóng [4]
Trên hình 2.4 Biểu đồ phân vùng - ánh sáng và bƣớc sóng, tia hồng ngoại truyền đi theo đƣờng thẳng từ nguồn nó phát ra, tia hồng ngoại truyền đi với vận tốc ánh sáng
43
và nó khơng đốt nóng khơng khí mà nó đi qua. Có thể định hƣớng tia hồng ngoại vào những đối tƣợng cụ thể thông qua việc sử dụng các gƣơng phản chiếu.
Tia hồng ngoại có thể đƣợc so sánh với tia tử ngoại, tia X, tia cực tím và sóng radio. Bản chất của các tia này đều là sóng điện từ và truyền đi trong khơng gian với vận tốc ánh sáng và nó chỉ khác nhau ở bƣớc sóng phát ra và đều tuân theo định luật về ánh sáng nhƣ truyền thẳng, phản xạ, cũng gây đƣợc hiện tƣợng nhiễu xạ, giao thoa nhƣ ánh sáng thông thƣờng theo định luật Stefan - Boltzamann, định luật Plank.
Bất kỳ vật nào có nhiệt độ lớn hơn 0o K (-273oC) đều phát ra tia hồng ngoại. Tia hồng ngoại có tác dụng nhiệt, khi tia hồng ngoại chiếu đến một đối tƣợng nào đó thì đối tƣợng đó sẽ hấp thụ một phần năng lƣợng bức xạ làm cho các điện tử kích thích và dao động, sự dao động này sinh ra nhiệt trong vật liệu hấp thụ.
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 sẽ giảm dần theo khoảng cách từ nguồn nó phát ra đến vật nhận nguồn phát, ngồi ra nhiệt độ cũng nhƣ các thuộc tính vật lý của nó sẽ quyết định hiệu quả cũng nhƣ bƣớc sóng của nguồn 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 sẽ tƣơng tác với các điện tử khác ở bên cạnh làm cho chúng dao động theo. Quá trình dao động này sinh ra năng lƣợng động năng, tạo ra nhiệt và làm cho nhiệt độ các phân tử nƣớc tăng nhanh dẫn đến quá trình bốc hơi nƣớc nhanh.
2.3.2 Một số ứng dụng của bức xạ hồng ngoại
Do tính ƣu việt nên bức xạ hồng ngoại ngày càng đƣợc ứng dụng rộng rải trong các ngành khoa học và trong đời sống xã hội. Ngày nay khi mà khoa học ngày càng phát triển thì ngƣời ta càng tìm ra đƣợc nhiều ứng dụng mới của bức xạ hồng ngoại. Mỗi một lĩnh vực ứng dụng sẽ sử dụng các bƣớc sóng và nguồn phát bức xạ hợp lý. Sau đây là một số ứng dụng của bức xạ hồng ngoại:
44
Trong ngành nông nghiệp bức xạ hồng ngoại đƣợc ứng dụng sấy các loại hạt, rau quả, hạt giống. trong lĩnh vực chế biến thủy sản ứng dụng để sấy cá, mực, tôm và các mặt hàng khô khác. Trong công nghiệp thực phẩm và đồ uống thì bức xạ hồng ngoại đƣợc ứng dụng rất rộng ví dụ: điều khiển các q trình trong cơng nghiệp sản xuất mía đƣờng, đánh giá chất lƣợng thịt, xác định sự oxy hóa dầu ăn, xác định hàm lƣợng casein và triglycerid….
Trong y học sử dụng công nghệ này cho phép sấy các đối tƣợng sinh học quan trọng nhƣ enzyme, mơ động thực vật …, trong đó tính chất của chúng đƣợc bảo tồn đầy đủ, các sản phẩm đạt chất lƣợng vệ sinh cao.
Ngồi ra bức xạ hồng ngoại cịn đƣợc ứng dụng trong các lĩnh vực nhƣ công nghệ sinh học, khoa học về trái đất, pháp luật, an ninh và quốc phòng …
2.3.3. Nhiệt bức xạ hồng ngoại
Đốt nóng bằng bức xạ hồng ngoại là sự truyền nhiệt năng theo dạng của sóng điện từ. Khi chiếu bức xạ hồng ngoại vào một đối tƣợng nào đó thì nó có thể hấp thụ hay phản xạ với một bƣớc sóng khác, khi đối tƣợng hấp thụ bức xạ thì nó sẽ bị nóng lên.
Nhiệt bức xạ hồng ngoại thay đổi theo hiệu quả phát xạ của nguồn, bƣớc sóng và tính phản xạ của đối tƣợng. Nhờ vào đặc tính này mà ngƣời ta có thể sử dụng nhiệt bức xạ có hiệu quả hơn trong những ứng dụng nhất định. Hiệu quả phát bức xạ phụ thuộc vào vật liệu của nguồn nhiệt. Về cơ bản thì hiệu quả này là tỷ lệ giữa năng lƣợng phát xạ và năng lƣợng hấp phụ, ngồi ra cịn có một số yếu tố khác cũng ảnh hƣởng đến hiệu suất phát xạ. Một yếu tố nữa là giá trị phát xạ của nguồn dựa vào mức độ đen của vật. Mức độ đen của vật thể là tỉ số giữa khả năng bức xạ tồn phần của vật thể đó E, W/m2 và khả năng bức xạ toàn phần của vật thể đen tuyệt đối E0 cũng ở nhiệt độ đó.
45
“Vật đen tuyệt đối” có mức xạ là 1. Điều này giúp ta chú ý trong khi chiếu phải hạn chế đƣợc tối đa năng lƣợng phản xạ và năng lƣợng xuyên qua, biến các loại năng lƣợng này thành năng lƣợng hấp thụ để tăng hiệu suất gia nhiệt. Để thực hiện đƣợc điều này cần phải chọn vật liệu bao phủ nguồn bức xạ phù hợp.
2.3.4. Cơ chế sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại
Vật liệu sấy trong công nghiệp thực phẩm thƣờng đƣợc cấu tạo chủ yếu bởi chất hữu cơ và nƣớc, phổ hấp thụ năng lƣợng bức xạ của nƣớc và các chất hữu cơ là khác nhau.
Ở mỗi bƣớc sóng chất hữu cơ trở thành vật trong suốt, không hấp thụ năng lƣợng bức xạ hồng ngoại mà nƣớc sẽ trở thành vật đen hấp thụ năng lƣợng bức xạ tối đa. Do đó khi chiếu tia hồng ngoại có bƣớc sóng nằm trong khoảng 2.5 – 3.5µm tƣơng ứng với bƣớc sóng mà nƣớc có thể hấp thụ tối đa năng lƣợng bức xạ. Kết quả là các phân tử nƣớc sẽ dao động mạnh, tạo thành ma sát và sinh nhiệt lớn.
Mặt khác dƣới tác động của năng lƣợng bức xạ, phân tử nƣớc dễ dàng bị phân li thành các ion H+ và OH-, do đó làm cho ẩm trong vật liệu sấy thoát ra rất nhanh. Lúc này chiều chuyển động của dòng ẩm cùng chiều với chiều chuyển động của dòng nhiệt (từ trong vật liệu sấy đi ra bên ngoài bề mặt) làm tăng quá trình khuếch tán nội, điều này trái ngƣợc hẳn với cách gia nhiệt thơng thƣờng là dịng nhiệt di chuyển từ lớp bên ngoài bề mặt vật liệu vào trong tâm vật liệu còn ẩm thì di chuyển từ trong ra ngồi bề mặt.
2.3.5. Ƣu và nhƣợc điểm của công nghệ sấy bức xạ hồng ngoại
Ƣu điểm của sấy khô bằng tia hồng ngoại là tốc độ truyền nhiệt lớn dễ điều chỉnh nguồn nhiệt và nhiệt độ trên bề mặt sản phẩm, rút ngắn đƣợc rất nhiều thời gian, do đó phần nào đảm bảo đƣợc phẩm chất của sản phẩm, sử dụng thao tác thuận tiện, tính giữ nhiệt của nguyên liệu sau khi sấy rất nhỏ, nhất là sấy bằng bóng đèn, tức có thể ngƣng quá trình sấy một cách dễ dàng.
46
Sản phẩm sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại đảm bảo đƣợc phẩm chất của sản phẩm không bị tổn thất về chất lƣợng, mùi vị, hàm lƣợng các vitamin đƣợc bảo toàn đồng thời sản phẩm lại đƣợc đảm bảo về mặt vệ sinh thực phẩm tốt.
Sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại phần lớn năng lƣợng bức xạ chuyển biến thành nhiệt năng cần thiết làm cho nƣớc bốc hơi. Vì vậy hiệu suất sử dụng nhiệt cao giảm sự tổn hao năng lƣợng.
Gradien nhiệt độ và độ ẩm ở lớp sát bề mặt vật cùng chiều, do đó tăng cƣờng tốc độ khuếch tán nội dẫn đến tốc độ sấy tăng. Cƣờng độ bay hơi ẩm có thể lớn hơn có thể vài lần so với đối lƣu và tiếp xúc.Tránh đƣợc quá nhiệt cục bộ và làm chai, nứt nẻ bề mặt.
Chi phí lắp đặt, vận hành thấp, chiếm ít diện tích mặt bằng và dễ dàng điều khiển. Đặc biệt bức xạ hồng ngoại có khả năng tiêu diệt cơn trùng, vi sinh vật có hại ngay ở nhiệt độ thấp.