:Sơ đổ hệ thống sấy lạnh

a.Hệ thống sấy lạnh nhiệt nhỏ hơn 00

C. Hệ thống sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn biến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa. Để tạo ra quá trình thăng hoa, vật liệu sấy phải

được làm lạnh dưới điểm ba thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu t < 00C và áp suất tác nhân sấy bao quanh vật p < 620 Pa. Từ đó, vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng để ẩm từ trạng thái rắn thăng hoa thành thể khí và vào mơi trường. Như vậy, trong các hệ thống sấy

thăng hoa phải tạo được chân không trong vật liệu sấy và làm lạnh vật xuống dưới 0oC.

 Ƣu điểm: Phương pháp gần như bảo toàn được chất lượng sinh, hóa học của sản phẩm bao gồm: màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính,…

SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 71

 Nhƣợc điểm:

- Chi phí đầu tư cao, phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh (để kết đông sản phẩm và làm ngưng kết hơi nước)

- Hệ thống cồng kềnh nên vận hành phức tạp, chi phí vận hành và bảo dưỡng lớn. Sấy thăng hoa thường được ứng dụng để sấy sản phẩm quý, dễ biến chất do nhiệt như: máu, vắc xin,…

Hệ thống sấy chân không

Phương pháp sấy chân không là phương pháp tạo ra môi trường gần như chân không trong buồng sấy, nghĩa là nhiệt độ vật liệu t < 0oC, áp suất tác nhân sấy bao quanh vật p > 610 Pa. Khi nhận được nhiệt lượng, các phần tử nước trong vật liệu sấy ở thể rắn sẽ

chuyển sang thể lỏng, sau đó mới chuyển sang thể hơi và đi vào môi trường.

 Ƣu điểm: Phương pháp này giữ được chất lượng sản phẩm, đảm bảo điều kiện vệ

sinh.

 Nhƣợc điểm: Hệ thống có chi phí đầu tư lớn, vận hành phức tạp.

- Phương pháp sấy chân không thường chỉ sấy các loại vật liệu sấy là các sản phẩm quý, dễ biến chất.

- Do tính phức tạp và khơng kinh tế nên các hệ thống sấy thăng hoa và hệ thống sấy chân khơng chỉ dùng để sấy những vật liệu q hiếm, khơng chịu được nhiệt

độ cao. Vì vậy, các hệ thống sấy này là những hệ thống sấy chuyên dùng, không

phổ biến.

b.Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 0o

C

Với những hệ thống sấy mà nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ nhiệt độ môi trường, tác nhân sấy thường là khơng khí được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm hấp phụ, sau đó nó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến

các nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu sấy. Khi đó do phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bé hơn phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy mà ẩm từ dạng lỏng

SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 72

bay hơi đi vào tác nhân sấy. Như vậy, quy luật dịch chuyển ẩm trong lòng vật và từ bề mặt vật vào môi trường trong các hệ thống sấy lạnh loại này hoàn toàn giống như trong các hệ thống sấy nóng. Điều khác nhau ở đây là cách giảm pam bằng cách đốt nóng tác nhân sấy (d = const) để tăng áp suất bão hoà dẫn đến giảm độ ẩm tương đối φ. Trong khi

đó, với các hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ tác nhân sấy bằng nhiệt độ mơi trường thì ta sẽ tìm cách giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy pam bằng cách giảm lượng chứa ẩm d kết hợp với quá trình làm lạnh (sau khử ẩm bằng hấp thụ) hoặc đốt nóng (sau khử ẩm bằng lạnh).

 Ƣu điểm:

- Năng suất hút ẩm của phương pháp này khá lớn.

- Khả năng giữ chất lượng, hàm lượng dinh dưỡng sản phẩm cũng khá tốt (phụ

thuộc vào nhiệt độ sấy).

 Nhƣợc điểm:

- Chi phí đầu tư ban đầu khá lớn do phải sử dụng cả máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh

- Chất hút ẩm phải thay thế theo định kì

- Vận hành khá phức tạp nên chi phí vận hành lớn

- Điện năng tiêu tốn lớn do cần chạy máy lạnh và đốt nóng dây điện trở để hồn ngun chất hấp thụ.

- Lắp đặt phức tạp, khó điều chỉnh các thông sốđể phù hợp với công nghệ

- Trong mơi trường có bụi, cần dừng máy để vệ sinh chất hấp thụ, tuổi thọ thiết bị

giảm.

Phương pháp dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp

Trong phương pháp này, người ta chỉ dùng một hệ thống bơm nhiệt để tạo ra mơi trường

sấy. Nhiệt độmơi trường sấy có thểđiều chỉnh trong giới hạn khá rộng từ nhiệt độ xấp xỉ môi trường đến nhiệt độ âm, tùy thuộc yêu cầu của vật liệu sấy. Khác với các thiết bị

SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 73

đều được sử dụng hữu ích nên năng suất tiêu thụởđây có thểđược tận dụng đến mức cao nhất mà nhiệt độ khơng khí lại có thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ mơi trường hoặc

thấp hơn.

 Ƣu điểm:

- Khả năng giữ màu sắc, mùi vị và vitamin đều tốt

- Tiết kiệm năng lương nhờ sử dụng cả năng lượng dàn nóng và dàn lạnh, hiệu quả

sử dụng nhiệt cao

- Bảo vệmơi trường, vận hành an tồn.

- Có khảnăng điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy tùy thuộc vào yêu cầu và khả năng

chịu nhiệt của từng loại sản phẩm nhờ thay đổi công suất nhiệt của dàn ngưng

trong

- Công suất khá lớn

- Chi phí đầu tư hệ thống thấp hơn so với các phương pháp sấy lạnh khác - Vận hành đơn giản.

 Nhƣợc điểm:

- Thời gian sấy thường khá lâu do độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy không lớn.

- Phải có giải pháp xảbăng sau một thời gian làm việc.

5.5 Các cơng trình nghiên cứu hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt :

Việc sử dụng bơm nhiệt trong công nghiệp cũng như dân dụng để sấy, sưởi, hút ẩm, điều

hịa khơng khí,… đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trên thế giới. Sau đây là tổng quan một số cơng trình nghiên cứu:

a.Các tác giảtrong nƣớc

Tác giả Phạm Văn Tùy và các công sự đã tiến hành nghiên cứu và đã ứng dụng thành

công hệ thống bơm nhiệt để sấy lạnh kẹo Jelly, kẹo Chew, Caramel, kẹo Cứng… tại công ty bánh kẹo Hải Hà.

SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 74

Năm 1997, 1998 các tác giả đã thiết kế lần lượt hai hệ thống lạnh theo nguyên lý bơm

nhiệt nhiệt độ thấp kiểu môđun. Để sấy kẹo Jelly với năng suất 1100 kg/ngày và 1400 kg/ngày hiện nay vẫn còn được sử dụng cho phòng sấy lạnh số 2 và số 3 Nhà máy thực phẩm Việt Trì- Cơng ty cổ phần bánh kẹo Hải Hà. Thông số nhiệt độ khơng khí buồng sấy 22-280C, độ ẩm 30-40%. Sơ đồ nguyên lý hệ thống như hình vẽ:

Một hệ thống máy hút ẩm hỗ trợ cho dây chuyền sản xuất kẹo Caramem của Cộng Hòa

Liên Bang Đức cải tạo từ máy điều hịa khơng khí cũ cho phân xưởng kẹo caramem và hệ

thống bơm nhiệt hút ẩm công suất lạnh 120.000 Btu/h sử dụng 4 máy lạnh Trane TTK 530 công suất mỗi máy là 30.000 Btu/h hiện nay đang sử dụng cho phịng bao gói kẹo cứng thuộc Xí nghiệp Cơng ty CP Bánh kẹo Hải Hà đã được lắp đặt từnăm 1999.

Qua thực tế sử dụng, thấy rằng ngoài ưu điểm rẻ tiền (giảm khoảng 50% vốn đầu tư) và

tiết kiệm năng lượng (điện năng tiêu thụ giảm gần 50%) so với phương án dùng máy hút ẩm, các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh này hoạt động ổn định, liên tục và giảm chi phí bảo dưỡng. Tuy nhiên, nó cịn có nhược điểm là cồng kềnh, sử dụng nhiều quạt và động cơ

xen kẽ, trong hệ thống nhiều bụi bột nên phải bảo dưỡng động cơ lại phải thực hiện trong khơng gian hẹp, khó thao tác.

Để khắc phục những nhược điểm trên năm 2005 nhóm tác giảđã thiết kế chế tạo máy sấy lạnh cho phòng sấy lạnh số1 theo nguyên lý bơm nhiệt kiểu nguyên khối BK-BSH18A. So với công nghệ dùng các bơm nhiệt kiểu mơ đun thì BK-BSH18A có thiết bị xử lý khơng khí được chế tạo dạng tổ hợp gọn có thểđặt ngồi nhà, trong nhà hay trong buồng sấy và tốc độ khơng khí có thể thay đổi để phù hợp với yêu cầu của vật liệu sấy khác nhau.

Việc sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp để hút ẩm và sấy lạnh có nhiều ưu điểm và rất có khả năng ứng dụng rộng rãi trong điều kiện khí hậu nóng ẩm phù hợp với thực tế tại Việt Nam, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật đáng kể. Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những sản phẩm cần giữ trạng thái, màu, mùi, chất dinh dưỡng và không cho phép

SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 75 sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ gió lớn. Các hệ thống hút ẩm và đặc biệt là các hệ thống sấy lạnh có cấu trúc ln thay đổi phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu sấy, cấu trúc của dàn lạnh sử dụng, … nên khơng có một cấu trúc chung cho tất cảcác đối tượng sấy, tuy nhiên vẫn có chung nguyên tắc và phương pháp tính tốn thiết kế. Do đó, cần phải tiếp tục những nghiên cứu cơ bản, đầy đủ về các quá trình, các giới hạn kỹ thuật và các vấn đề tự

động điều chỉnh không chế liên hoàn nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy cũng như của vật liệu sấy.

b.Các tác giảnƣớc ngồi

Macio N. Kohayakawa và các cơng sựđã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như: vận tốc gió Var, chiều dày của vật liệu L đến hệ số khuếch tán quá trình sấy Def trong

hệ thống sấy xồi bằng bơm nhiệt. Mơi chất lạnh sử dụng trong hệ thống là R22.

Hệ thống sấy xoài sử dụng hai dàn ngưng trong để gia nhiệt cho khơng khí. Nhiệt độ

khơng khí trong q trình thí nghiệm thay đổi từ 40oC đến 56oC. Vận tốc gió thay đổi từ

1,6 m/s đến 4,4 m/s, chiều dày vật liệu sấy thay đổi từ5,8 mm đến 14,2 mm. Khối lượng vật liệu sấy ở mỗi mẽ là 300g, thời gian sấy là 8h/mẻ. Dựa vào các quan hệ lý thuyết tính tốn hệ số khuếch tán, sử dụng phương pháp quy hoạch trực giao và kết hợp với số liệu thực nghiệm, các tác giảđã xây dựng được phương trình hồi qui xác định hệ số khuếch tán Def như sau:

Def=4,2625 - 0,61922.Var + 0,380538.Var2 + 1,012517.L – 0,90343.Var.L (1.1)

Phương trình (1.1) cho thấy rằng ảnh hưởng đồng thời của hai thông sốcũng như mức độ ảnh hưởng của chúng đến hệ số khuếch tán Def. Ở đây, ảnh hưởng của tốc độ gió Var là lớn nhất, sau đó đến chiều dày của vật liệu sấy. Phương trình (1.1) cũng cho biết ảnh hưởng lẫn nhau giữa hai thông số thông qua mối liên hệ chéo nhau giữa chúng. Tuy

nhiên, phương trình này khơng đề cập đến ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm sấy mặc dù ảnh hưởng của chúng là lớn đến hệ số khuếch tán. Điều này cũng được chính tác giả khẳng

SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 76

định trong nghiên cứu của mình. Do vậy, cần có những nghiên cứu đánh giá về ảnh

hưởng của các yếu tố này.

Phani K.Adapa, Greg J.Schoenau và Shahab Sokhansanj đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình sấy bằng bơm nhiệt đối với các vật liệu đặc biệt. Các tác giả đã tiến hành thiết lập các quan hệ tính tốn lý thuyết quá trình sấy lớp mỏng. Các tác giả đã thiết lập phương trình cân bằng năng lượng, cân bằng chất, truyền nhiệt và truyền

ẩm giữa vật liệu và khơng khí cho một phân tố thể tích vật liệu sấy như sau: Phương trình truyền ẩm:  e M k M M t      (1.2) Trong đó:

- M : độẩm cân bằng của vật liệu sấy tại thời điểm t

- Me : độẩm cân bằng của vật liệu sấy, được xác định bằng thực nghiệm - t : thời gian sấy, s

- k : hằng số sấy [1/s], được xác định như sau: k 0,2865.exp 0,179. Ta (1.3)

Giải phương trình (1.2) ta xác định được độ ẩm của vật liệu khi sấy tại thời điểm t như

sau:   0 0 . kt . kt e e M M  M M e e (1.4) Với M0 : độẩm của vậ liệu sấy tại thời điểm t0 = 0 Phương trình cân bằng chất: . p a G W M x G y       (1.5) Với:

SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 77 W - độ chứa hơi của khơng khí

x – chiều dày của vật liệu sấy

Gp –lưu lượng vật liệu sấy chuyển động qua băng tải, kg/m.s Ga –lưu lượng khơng khí chuyển động qua băng tải, kg/m2.s y –quãng đường dịch chuyển của vật liệu sấy, m

Giải phương trình (1.5), thu được cơng thức xác định sựthay đổi của độ chứa hơi W theo

chiều dày vật liệu sấy (giả thiết tính chất của vật liệu sấy là đồng đều theo phương dịch chuyển y): 0 . . P a G M W W x G y     (1.6)

Phương trình cân bằng năng lượng:

        . . / . . . cv a pw a g a a pa pw h G G W x T T T x G C C W          (1.7) Trong đó: - Ta : nhiệt độ của khơng khí sấy, 0C - Tg : nhiệt độ của vật liệu sấy, 0C - hcv : hệ số truyền nhiệt thể tích, kJ/m3.ph.K - Cpa : nhiệt dung riêng của khơng khí khơ, kJ/kgK - Cpw : nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kgK

Giải phương trình (1.7), xác định được nhiệt độ khơng khí tại đầu ra: ( / ).   0 . d a x a g a g T T a T T Với:

SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 78   . . a pa pw aG C C W . . cv a pw W d h G C x          

Ta0 – Nhiệt độ khơng khí tại vịtrí ban đầu x0 = 0, 0C

Phương trình truyền nhiệt:

         . . . (1.9) . . cv a g a g pw pl g g p pg pl W h T T G L C C T T x y G C M C                            Trong đó:

Lg: nhiệt ẩn hóa hơi của nước trong vật liệu sấy, kJ/kg Cpg: Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, kJ/kgK

Cpl: nhiệt dung riêng của nước, kJ/kgK

Giải phương trình (1.9) ta sẽtìm được sựthay đổi nhiệt độ của vật liệu sấy:

   0/ 0 1 . y y h (1.10) g g T f gT e f g                   ởđây: f h Tcv. a0 G La. .g W;g hcv Cpw Cpl. .Ga W x x                 h Gp.Cpg M C. pl

SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 79

5.6 Đăc điểm quá trình truyền nhiệt, truyền khối của sấy lạnh :

Trong kỹ thuật sấy lạnh, thế sấy của khơng khí tăng nhờ q trình tách ẩm ở dàn bốc hơi

và q trình gia nhiệt bằng chính dàn ngưng tụ trong các máy lạnh. Yếu tố có tính quyết

định ở đây là q trình làm lạnh khơng khí trong dàn lạnh, từ đây sẽ nhận được khơng khí

có nhiệt độ và độ chứa hơi (d) nhỏ đảm bảo cho quá trình truyền nhiệt, truyền chất giữa vật sấy và tác nhân sấy trong buồng sấy xẩy ra ở điều kiện gradient nhiệt độ và gradient áp suất cùng chiều, khơng có giai đoạn nào xẩy ra hiệu ứng Luikov A.V. cản trở quá trình sấy như trong phương pháp sấy nóng. Vì vậy, ngồi việc tính tốn, thiết kế hệ thống nói chung thì điều tối cần thiết là chế độ làm việc của dàn lạnh hay nói cách khác là khả năng tối ưu nhất của dàn lạnh có tầm quan trọng đặc biệt.

Trong kỹ thuật sấy lạnh, đểtăng cường tách ẩm cho hệ thống, khơng khí sấy trải qua giai