Dàn bay h ơi Dàn ngư ng t ụ Máy nén Van giãn nở
SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 68 Quá trình truyền nhiệt thực hiện được thông qua sự thay đổi pha làm việc của môi chất lạnh. Môi chất lạnh trong giàn bay hơi hấp thụ nhiệt và bay hơi ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Khi hơi môi chất lạnh ngưng tụ ở nhiệt độ cao, áp suất cao tại dàn ngưng tụ, nó thải nhiệt ở áp suất cao hơn. Khi sử dụng trong quá trình sấy, hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt làm lạnh khơng khí của q trình đến điểm bão hịa, và sau đó ngưng tụ nước (khử ẩm),
do đó làm tăng khả năng sấy của khơng khí. Trong q trình này chỉ tuần hồn mức nhiệt thấp (nhiệt hiện và nhiệt ẩn) từ khơng khí. Cấu trúc của dàn bay hơi và dàn ngưng tụ được bố trí như hình vẽ (hình 5.3 ).
Hình 5.4 : Hai phƣơng thức trao đổi nhiệt thơng qua buồng sấy. Mũi tên lớn chỉ
dòng tác nhân qua buồng sấy
Trong trường hợp thứ nhất (hình 5.4 a), máy sấy lạnh hoạt động vừa như một máy khử ẩm và một bộ gia nhiệt khơng khí. Trong cách bố trí thứ hai, dàn bay hơi được xen vào dịng khơng khí ẩm trong khi khơng khí sạch lại được đưa vào toàn bộ dàn ngưng tụ. Việc sắp xếp theo kiểu này, nhiệt ẩn (cùng với một lượng lớn nhiệt hiện) được hồi lưu
SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 69 bằng cách khử ẩm của khí thải và truyền cho không khí của q trình thơng qua dàn
ngưng tụ. Mơ hình này thích hợp khi khơng khí mơi trường khơ (độ ẩm tương đối thấp), nhưng nó lại khơng kinh tế trong q trình sấy, bởi vì dịng khí thải tương tự như khơng
khí bên trong. Trong cả hai mơ hình trên, khí thải từ buồng sấy có thểđược hồi lưu lại đi đến dàn bay hơi nghĩa là khơng khí có thể tuần hoàn toàn bộ hay từng phần.
Bơm nhiệt bước đầu được nghiên cứu với tác dụng khửẩm, nhưng sau cuộc khủng hoảng
năng lượng những năm 70. Khả năng ứng dụng trong việc sấy nông sản phẩm ngày càng
được chú ý đến nhiều hơn. Ứng dụng của bơm nhiệt trong nông nghiệp bắt đầu với việc sử dụng như thiết bị gia nhiệt. Những nghiên cứu và phát triển sau đó đã đạt được kết quả
với việc phát triển quá trình sấy sử dụng bơm nhiệt. Bằng nhiều cách khác nhau, như là
sử dụng một van điều chỉnh áp suất, trao đổi nhiệt, điều khiển lưu lượng dịng khí, thay
đổi tốc độ máy nén,vv… được thực hiện tùy thuộc vào các yêu cầu thực tế, nguyên lý hoạt động máy sấy sử dụng bơm nhiệt. Trong thương mại việc sử dụng các máy sấy lạnh
để sấy hỗ trợđã được nhắc đến tại nhiều nước ở Châu Âu (NaUy, Pháp và Hà Lan), Châu Á và Autralia, ở đây công nghệnày được ứng dụng chủ yếu trong các quy trình chế biến thực phẩm.
Việc sử dụng bơm nhiệt với quy mô rộng lớn vẫn chưa được cụ thể hóa trong nơng nghiệp. Một trong những yếu tố cản trở việc sử dụng kỹ thuật này là chi phí đầu tư. Vì
chi phí đầu vào cao và thời gian sử dụng ngắn, cho nên hiện nay các loại máy sấy khác vẫn chiếm ưu thế. Hơn nữa, các sản phẩm ra đời phải đảm bảo tính đổi lẫn và dễ sữa chữa, kỹ thuật sấy sử dụng bơm nhiệt có tiềm năng đáp ứng được các ứng dụng khác nhau trong môi trường sản xuất nông nghiệp.
5.4 Phân loại hệ thống sấy lạnh :
Khác với phương pháp sấy nóng, trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm. Ởphương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt
SVTH: TRẦN THIÊN TÚ Trang 70 ngoài của vật nhỏhơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với khơng khí có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía
bên trong vật. Nói khác đi, ởđây gradient nhiệt độ và gradient áp suất có cùng dấu nên gradient nhiệt độ khơng kìm hãm quá trình dịch chuyển ẩm như khi sấy nóng mà ngược lại, nó có tác dụng tăng cường quá trình dịch chuyển ẩm trong lịng vật ra ngồi để bay
hơi làm khơ vật. Khi đó ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào mơi
trường có thể lớn hơn hoặc nhỏhơn nhiệt độmơi trường hoặc cũng có thể nhỏhơn 0oC.
Hình 5.5 : 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 tồn 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 ngoài
Macio N. Kohayakawa và các công 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