- Máy sấy spinflash: trong đó buồng sấy được gắn với roto rở đáy.
d) Động học sấy thăng hoa
Động học của quá trình sấy khơ bằng thăng hoa chính là sự di chuyển và bay hơi nước của nước trong quá trình sấy.
Quá trình di chuyển nước trong cơ thịt thực phẩm từ các lớp bên trong ra các lớp bên ngồi rồi bay hơi vào mơi trường chân không trong sấy thăng hoa là khá phức tạp, nó phụ thuộc rất nhiều vào cấu trúc cơ thịt thực phẩm, trường độ ẩm (gradient độ ẩm), nhiệt độ, áp suất.
d.1) Sự bay hơi của lớp nước đá trên bề mặt thực phẩm
Thực phẩm được sấy thăng hoa, do ở nhiệt độ thấp nên nước trong ngun liệu đơng kết lại và q trình sấy được tiến hành từ lớp nước đá trên bề mặt đến những lớp sâu trong tổ chức cơ thịt của thực phẩm.
Trong sấy thăng hoa, tốc độ bay hơi nước đá từ bề mặt thực phẩm được xác định theo phương trình Konuxenna như sau:
2 1
1
dW 8.H. m (P P )
dt =3 2 RTp - , (kg/(h.m2)) Trong đó: m: trọng lượng phân tử của hơi nước R: hằng số khí lý tưởng
T1: nhiệt độ của nước đá (nhiệt độ thăng hoa) P1: áp suất hơi nước trên bề mặt bay hơi ở T1
P2: áp suất hơi nước trong môi trường sấy thăng hoa H: hằng số đặc trưng cho hình dáng vật liệu sấy khô
d.2) Sự bay hơi thăng hoa ở lớp ngồi mặt thực phẩm
Đường kính tiết diện to nhất của sợi cơ thịt thực phẩm coi như là ống mao quản lớn nhất trong tổ chức cơ thịt thực phẩm sấy khơ, đó là chiều dài nhỏ nhất mà các phân tử hơi nước dịch chuyển qua trong quá trình làm khơ. Sự chuyển dịch của các phân tử hơi nước trong lớp khô của tổ chức
cơ thịt thực phẩm được xác định theo phương trình Konuxenna như sau: l 2 1 1 2 0 dW 2,125. 1 (P P ). C d dl A - = t r ∫ , (kg/(h.m2))
Trong đó: P1: áp suất hơi nước ở đầu trong của ống mao dẫn P2: áp suất hơi nước ở đầu ngoài của ống mao dẫn C: chu vi của ống mao quản
A: tiết diện cắt ngang của ống mao quản L: chiều dài của phần khô của ống mao quản (phần được sấy khô trong thời gian là dt) r1: mật độ hơi ở áp lực 1 bar với nhiệt độ T1
d.3) Sự bay hơi thăng hoa ở lớp 1 thực phẩm
Trong lớp thứ nhất của lớp cơ thịt thực phẩm thì màng ngăn là sự trở ngại cho việc chuyển động của hơi nước, cho nên sự bay hơi ở lớp bên trong không thể quan sát được và không thể coi như sự bay hơi của ngoài mặt thực phẩm. Khi lớp ngồi mặt khơ, do sự chênh lệch về nồng độ ẩm ở bên trong so với bên ngoài, ẩm sẽ dịch chuyển qua các ống mao quản, màng ngăn cho tới khi tới lớp mặt ngồi mới thực hiện q trình bay hơi thăng hoa. Như vậy, ống mao quản, màng ngăn chính là trở lực cho quá trình di chuyển ẩm trong quá trình bay hơi thăng hoa.
Tốc độ bay hơi thăng hoa ở lớp này được xác định theo phương trình Konuxenna như sau:
1 2 1 ' l ' 2 0 m (P P ) 2 RT dW 8 H d 3 C dl A - p = t a∫ , (kg/(h.m2))
Trong đó: l’: chiều dài trung bình của phần tự do của ống mao quản theo chiều sâu của lớp sấy; a: hệ số đặc trưng cho cấu tạo đặc biệt của bề mặt ống mao quản
d.4) Sự bay hơi thăng hoa từ các lớp trong thực phẩm
Khi nghiên cứu sự thăng hoa của nước đá trong khi sấy thì phức tạp hơn cả là quá trình bay hơi trong lớp thứ hai và những lớp sâu khác bên trong tổ chức cơ thịt thực phẩm. Đại lượng hệ số bay hơi của nước đá từ các lớp bên trong của tổ chức cơ thịt thực phẩm không chỉ phụ thuộc vào chiều dài, hình dáng và đường kính ống mao quản mà còn phụ thuộc vào số lượng màng ngăn n trong ống đó.
Lúc đó, số lượng màng ngăn n là trở ngại chủ yếu cho sự bay hơi của hơi nước và tốc độ bay hơi của các lớp bên trong của tổ chức cơ thịt thực phẩm được xác định theo phương trình Konuxenna như sau:
2 1 1 ' l n ' 2 0 0 m (P P ) 2 RT dW 8 H d 3 C dl dn A - p = t a∫ x∫ , (kg/(h.m2))
Trong đó: n- số màng ngăn trong phần khô của ống mao quản;
x - trở lực của màng ngăn trong ống mao quản
d.5) Tốc độ truyền nhiệt
Có ba phương pháp truyền nhiệt đến bề mặt thăng hoa: nhiệt truyền xuyên qua các lớp băng, nhiệt truyền qua lớp khơ, truyền nhiệt bằng vi sóng.
Nhiệt truyền xuyên qua các lớp băng: Tốc độ truyền nhiệt phụ
thuộc vào độ dày và độ dẫn nhiệt của lớp băng. Khi quá trình sấy xảy ra, chiều dày của lớp băng giảm xuống và tốc độ truyền nhiệt tăng lên. Nhiệt độ bề mặt của thiết bị cấp nhiệt được giới hạn để tránh làm tan băng.
Nhiệt truyền qua lớp khô: Tốc độ truyền nhiệt đến bề mặt thăng
hoa phụ thuộc vào chiều dày và diện tích bề mặt của sản phẩm, độ dẫn nhiệt của lớp khô và chênh lệch nhiệt độ giữa bề mặt sản phẩm và bề mặt băng. Khi áp suất buồng sấy không đổi, nhiệt độ của bề mặt băng duy trì khơng đổi. Lớp khơ của sản phẩm có độ dẫn nhiệt rất thấp (tương tự như vật liệu cách nhiệt) và vì thế gây ra sự cản trở lớn đối với dòng nhiệt. Khi quá trình sấy tiếp diễn, lớp này trở nên dày hơn và sự cản trở nhiệt tăng lên. Làm giảm kích thước nguyên liệu và tăng chênh lệch nhiệt độ sẽ làm tăng
tốc độ truyền nhiệt. Tuy nhiên, ở sấy thăng hoa nhiệt độ bề mặt bị giới hạn đến 40 - 650C để tránh sự biến tính protein và thay đổi hóa học khác, có thể làm giảm chất lượng của sản phẩm.
Truyền nhiệt bằng vi sóng: Nhiệt được tạo ra trên bề mặt băng và
tốc độ truyền nhiệt không bị ảnh hưởng bởi độ dẫn nhiệt của băng và chất khô hay độ dày của lớp khơ. Tuy nhiên, nhiệt vi sóng khó kiểm sốt và có nguy cơ bị tình trạng q nóng cục bộ dẫn đến sự tan chảy băng.
d.6) Tốc độ truyền khối
Khi nhiệt truyền tới bề mặt thăng hoa, nhiệt độ và áp suất của băng sẽ được tăng lên. Hơi nước di chuyển xun qua chất khơ đến vùng có áp suất hơi thấp trong buồng sấy. Ở áp suất 67 Pa, 1g băng hình thành 2m3 hơi và do đó máy sấy thăng hoa cần phải lấy đi hàng trăm mét khối hơi trong 1 giây qua các lỗ hổng của chất khơ. Các yếu tố kiểm sốt chênh lệch áp suất hơi nước là:
Áp suất trong buồng sấy.
Nhiệt độ của thiết bị ngưng tụ hơi, cả hai cần để thấp đến mức chi phí cho phép.
Nhiệt độ của băng ở bề mặt thăng hoa, càng cao càng tốt nhưng không để tan chảy.
Trong thực tế để đảm bảo tính kinh tế, áp suất buồng sấy thấp nhất vào khoảng 13 Pa và nhiệt độ thiết bị ngưng tụ thấp nhất là khoảng -350C. Về lý thuyết, nhiệt độ của băng cần nâng lên mức chỉ vừa dưới điểm đóng băng. Tuy nhiên, ở trên một nhiệt độ tới hạn nhất định, gọi là nhiệt độ sụp đổ (collapse temperature), cấu trúc sản phẩm sẽ bị phá hủy ngay lập tức. Trong thực tế vì thế tồn tại nhiệt độ đóng băng tối đa, nhiệt độ ngưng tụ tối thiểu và áp suất buồng sấy tối thiểu và những thơng số này kiểm sốt tốc độ chuyển khối. Trong quá trình sấy, độ ẩm hạ xuống từ mức ban đầu rất cao trong vùng lạnh đông đến mức thấp hơn ở lớp khô, phụ thuộc vào áp suất hơi nước trong buồng sấy. Khi nhiệt chuyển qua lớp khô, quan hệ giữa áp suất trong buồng sấy và áp suất trên bề mặt là:
Pi= Ps + kd
Trong đó: Pi: áp suất riêng phần hơi nước ở bề mặt thăng hoa (Pa); Ps: áp suất riêng phần của hơi nước ở bề mặt (Pa) kd: độ dẫn nhiệt của lớp khô (W.m-1.K-1)
b: độ thấm của lớp khô (kg.s-1.m-1); λs: ẩn nhiệt thăng hoa (J.kg-1);
ts, ti: nhiệt độ bề mặt và bề mặt thăng hoa (0C). Thời gian sấy được tính bằng cơng thức sau:
Trong đó: Td: thời gian sấy (s); x: chiều dày sản phẩm (m); ρ: tỷ trọng của chất khô (kg.m3);
M1, M2: độ ẩm ban đầu và độ ẩm cuối cùng.
Chú ý rằng thời gian sấy tỷ lệ với bình phương độ dày sản phẩm, do đó gấp đơi chiều dày sản phẩm sẽ kéo dài thời gian sấy gấp 4 lần.