Là quá trình dịch chuyển ẩm từ bề mặt vật liệu sấy vào môi trƣờng không khí xung quanh. Động lực của quá trình này là do chệnh lệch áp suất hơi trên bề mặt vật liệu ẩm (Pbh) và áp suất riêng phần hơi nƣớc trong môi trƣờng không khí (Phn), sự chênh lệch đ là:
∆P = Pbh – Phn
Lƣợng nƣớc bay hơi do khuếch tán ngoại tỉ lệ thuận với ∆P, diện tích bay hơi và thời gian làm khô, tức là:
dW = B.∆P.F.dτ Trong đ :
W : Lƣợng nƣớc bay hơi kg). B : Hệ số bay hơi
F : Diện tích bay hơi m2). τ : Thời gian bay hơi h)
∆P : Chênh lệch áp suất hơi bão hòa trên bề mặt vật liệu và áp suất riêng phần hơi nƣớc trong không khí.
1.2.4.3. Mối quan hệ giữa khuếch tán nội và khuếch tán nội
Khuếch tán nội và ngoại có mối quan hệ mật thiết, tức là khuếch tán ngoại đƣợc tiến hành thì khuếch tán nội mới đƣợc tiếp tục và độ ẩm của nguyên liệu mới giảm dần. Nếu khuếch tán nội lớn hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ nhanh nhƣng điều đ ít xảy ra. Khuếch tán nội của nƣớc trong nguyên liệu thƣờng nhỏ hơn tốc độ bay hơi trên bề mặt. Khi khuếch tán nội nhỏ hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ bị gián đoạn.
Trong quá trình làm khô, ở giai đoạn đầu lƣợng nƣớc trong nguyên liệu nhiều, chênh lệch độ ẩm lớn, vì vậy khuếch tán nội thƣờng phù hợp với khuếch tán ngoại, do đ tốc độ tƣơng đối nhanh. Nhƣng ở giai đoạn cuối thì lƣợng nƣớc còn lại trong nguyên liệu ít, tốc độ bay hơi ở bề mặt ngoài nhanh nên quá trình khuếch tán ngoại lớn hơn khuếch tán nội, vì vậy sẽ tạo thành một màng cứng làm ảnh hƣởng rất lớn đến khuếch tán nội. Do đ ảnh hƣởng đến quá trình làm khô nguyên liệu.
1.2.5. C c giai đoạn trong quá trình sấy 1.2.5.1. Giai đoạn nung nóng vật iệu sấy
Giai đoạn này bắt đầu khi đƣa vật vào buồng sấy tiếp xúc với không khí nóng cho tới khi đạt đƣợc nhiệt độ bầu ƣớt tƣơng ứng với nhiệt độ không khí bao quanh tiếp xúc với vật liệu sấy. Trong giai đoạn này toàn bộ vật liệu sấy đƣợc gia nhiệt. ẩm lỏng trong vật cứng cũng đƣợc gia nhiệt cho đến khi đạt nhiệt độ sôi tƣơng ứng với phân áp suất hơi nƣớc trong một trƣờng không khí trong buồng sấy. Quá trình tăng nhiệt độ diễn ra không đều ở phần ngoài và phần trong. Đƣờng cong sấy và đƣờng cong tốc độ sấy trong giai đoạn này là một đƣờng cong, do năng lƣợng liên kết của nƣớc liên kết cơ lý nhỏ, vì vậy đƣờng cong sấy và đƣờng cong tốc độ sấy là một đƣờng cong lồi.
1.2.5.2. Giai đoạn sấy đ ng tốc
Là giai đoạn ẩm bay hơi ở nhiệt độ không đổi nhiệt độ bầu ƣớt), do sự chênh lệch nhiệt độ của vật liệu sấy và môi trƣờng không khí xung quanh là không đổi. Do đ đƣờng cong sấy và đƣờng cong tốc độ sấy trong giai đoạn này là một đƣờng th ng, ẩm tách ra trong giai đoạn này là ẩm liên kết cơ lý và ẩm liên kết h a lý.
1.2.5.3. Giai đoạn sấy giả tốc
Hàm lƣợng nƣớc còn lại trong nguyên liệu ở giai đoạn này ít, chủ yếu là nƣớc liên kết nên năng lƣợng liên kết lớn, vì vậy cần năng lƣợng lớn hơn để tách ẩm. Đƣờng cong sấy và đƣờng cong tốc độ sấy thƣờng c dạng cong, hình dạng của đƣờng cong phụ thuộc vào dạng liên kết ẩm trong vật liệu và dạng vật liệu sấy. Độ ẩm vật liệu cuối quá trình sấy phụ thuộc độ ẩm môi trƣờng không khí xung quanh.
1.3. TỔNG QUAN VỀ BỨC XẠ HỒNG NGOẠI 1.3.1. Khái niệm về bức xạ hồng ngoại 1.3.1. Khái niệm về bức xạ hồng ngoại
Năm 1980, khi nghiên cứu phổ mặt trời, lần đầu tiên Uliam Hersel đã phát hiện bức xạ nhiệt ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy. Khi di chuyển nhiệt kế trong trƣờng phổ mặt trời thì thấy vùng ánh sáng nhìn thấy có nhiệt độ cao nhất, và đƣợc phân bố một cách tự nhiên sau màu đỏ.
Bức xạ hồng ngoại là bức xạ điện từ c bƣớc s ng dài hơn ánh sáng nhìn thấy nhƣng ngắn hơn bức xạ vi ba. “Hồng ngoại” c nghĩa là “dƣới mức đỏ”, màu đỏ là màu sắc c bƣớc sóng dài nhất trong ánh sáng thƣờng. Bức xạ đƣợc hiểu là quá trình sinh hay chuyển năng lƣợng bằng các s ng điện từ. Cùng với sự sáng lập bức xạ hồng ngoại, các nhà bác học phát triển sử dụng tia hồng ngoại trong kỹ thuật gọi là kỹ thuật hồng ngoại.
Tia hồng ngoại có thể đƣợc phân chia thành ba vùng theo bƣớc sóng, trong khoảng từ 0.7µm ÷ 1mm.
- Tia hồng ngoại có bản chất s ng điện từ, nó truyền đi với vận tốc ánh sáng 2.99×108 m/s, n không đốt n ng không khí mà n đi qua, một phần không đáng kể bị hấp thụ bởi CO2, hơi nƣớc và một số hạt khác trong không khí. Tia hồng ngoại chỉ bị hấp thụ, phản xạ hoặc truyền qua bởi vật thể mà n tác động vào.
- Bất kể một đối tƣợng nào có nhiệt độ lớn hơn 0oK (-273oC) đều phát ra tia hồng ngoại.
- Tia hồng ngoại có tác dụng nhiệt. khi tia hồng ngoại chiếu đến một đối tƣợng nào đ , đối tƣợng sẽ hấp thụ một phần năng lƣợng bức xạ làm cho các điện tử kích thích và dao động, sự dao động này tạo ra nhiệt.
- Cƣờng độ bức xạ hồng ngoại giảm dần theo khoảng cách từ nguồn phát. - Tia hồng ngoại có thể gây ra hiện tƣợng quang điện trong chất bán dẫn.
- Nhiệt độ cũng nhƣ các thuộc tính vật lý của nó sẽ quyết định hiệu quả cũng nhƣ bƣớc sóng phát ra.
- Có thể tác dụng lên một số kính ảnh đặc biệt. Tia hồng ngoại truyền đi theo đƣờng th ng từ nguồn phát xạ ra nó, có thể đƣợc định hƣớng vào những đối tƣợng cụ thể thông qua việc thực hiện các gƣơng phản chiếu.
- Tia hồng ngoại có thể đƣợc so sánh với sóng radio, tia sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia cực tím, tia X. Chúng đều có bản chất là s ng điện từ, truyền đi trong không gian với vận tốc ánh sáng, chỉ khác nhau bƣớc s ng phát ra và đều tuân theo một số định luật về ánh sáng.
1.3.2. Một số ứng dụng của bức xạ hồng ngoại
Bức xạ hồng ngoại đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành khoa học và đời sống xã hội.
Trong ngành công 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. Bên cạnh đ còn ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp
thực phẩm và đồ uống nhƣ: điều khiển các quá trình trong công nghiệp sản xuất đƣờng mía, xác định sự oxy hóa dầu ăn, đánh giá chất lƣợng thịt, …. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Trong y học, công nghệ này đƣợc dùng để sấy các đối tƣợng sinh học quan trọng nhƣ enzyme, mô động thực vật…
Ngoài ra, bức xạ hồng ngoại còn đƣợc ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực công nghệ sinh học, khoa học về trái đất, an ninh quốc phòng….
1.3.3. 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 đ thì n c thể hấp thụ hay phản xạ với một bƣớc s ng khác, khi đối tƣợng hấp thụ bức xạ sẽ 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 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, hiệu quả này là tỷ lệ giữa năng lƣợng phát xạ và năng lƣợng hấp thụ, ngoài ra còn có một số yếu tố khác cũng ảnh hƣởng đến hiệu suất phát xạ. Giá trị phát xạ của nguồn còn dựa vào mức độ đen của vật. Mức độ đen của vật thể ɛ là tỉ số giữa khả năng bức xạ toàn phần của vật đ và khả năng bức xạ toàn phần của vật thể đen tuyệt đối cũng ở nhiệt độ đ .
1.3.4. 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), nƣớc trở thành vật đen hấp thụ năng lƣợng bức xạ tối đa. Khi chiếu tia hồng ngoại c bƣớc sóng từ 2.5 – 3.5 m tƣơng ứng với bƣớc sóng mà
nƣớc có thể hấp thụ năng lƣợng tối đa, kết quả là các phân tử nƣớc sẽ dao động mạnh, tạo thành ma sát và sinh nhiệt lớn.
Dƣới tác động của năng lƣợng bức xạ, phân tử nƣớc dễ dàng bị phân ly thành ion H+ và OH-, do đ 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 làm tăng quá trình khuếch tán nội, điều này trái ngƣợc với cách gia nhiệt thông thƣờng là dòng nhiệt di chuyển từ lớp bên ngoài bề mặt vật liệu vào trong tâm vật liệu còn ẩm thì di chuyển từ trong ra ngoài bề mặt.
1.3.5. Ƣu nhƣợc điểm của công nghệ sấy bức xạ hồng ngoại
Ƣu điểm của sấy 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 thời gian sấy, do đ đảm bảo đƣợc chất lƣợng sản phẩm, tính giữ nhiệt của nguyên liệu sau khi sấy nhỏ, nhất là sấy bằng b ng đèn, tức có thể ngừng quá trình sấy một cách dễ dàng.
Sản phẩm sấy khô bằng tia hồng ngoại ít bị tổn thất về mùi, vị, hàm lƣợng vitamin, đồng thời đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm tốt.
Hiệu suất sử dụng nhiệt cao do phần lớn năng lƣợng bức xạ chuyển thành nhiệt năng cần thiết làm cho nƣớc bốc hơi.
Gradien độ ẩm và nhiệt độ ở lớp sát bề mặt vật và cùng chiều nhau nên khuếch tán nội tăng dẫn đến tốc độ sấy tăng. Cƣờng độ bay hơi ẩm có thể lốn hơn vài lần so với sấy đối lƣu và sấy tiếp xúc.
Chi phí lắp đặt, vận hành thấp, ít chiếm diện tích, điều khiển dễ dàng.
Bức xạ hồng ngoại có khả năng tiêu diệt côn trùng, vi sinh vật có hại ở nhiệt độ thấp.
Nhƣợc điểm của bức xạ hồng ngoại là khả năng xuyên thấu kém (7 – 10mm) nên không thích hợp để sấy sản phẩm có bề dày lớn
Sấy lạnh là phƣơng pháp sấy đối lƣu, tách ẩm vật liệu sấy bằng không khí lạnh c độ ẩm thấp. Ẩm trong vật liệu sấy di chuyển ra bề mặt, từ bề mặt vào môi trƣờng, và đƣợc luân chuyển ra ngoài. Trong phƣơng pháp này ngƣời ta tạo ra sự chệnh lệch áp suất hơi bão hòa trên bề mặt vật liệu sấy và áp suất riêng phần của hơi nƣớc trong không khí bằng cách giảm áp suất riêng phần hơi nƣớc trong không khí nhờ giảm lƣợng chứa ẩm.
Sấy lạnh đƣợc ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm cũng nhƣ các ngành công nghiệp khác do có nhiều ƣu điểm nhƣ thời gian sấy ngắn, chất lƣợng sản phẩm tốt, hiệu quả năng lƣợng cao.
Nguyên lý làm việc:
Tác nhân sấy là không khí ẩm đƣợc làm lạnh xuống dƣới nhiệt độ điểm đọng sƣơng để ngƣng tụ một phần ẩm. Không khí ẩm sau khi đƣợc làm lạnh c độ ẩm và nhiệt độ thấp, do đ phải gia nhiệt cho không khí bằng điện trở hay dàn nóng của máy lạnh đến nhiệt độ mà công nghệ yêu cầu rồi đƣợc quạt ly tâm hút và thổi qua vật liệu sấy. Khi đ áp suất riêng phần của hơi nƣớc trong không khí b hơn áp suất hơi nƣớc bão hòa trên bề mặt vật liệu sấy, ẩm từ dạng lỏng tên bề mặt vật liệu sấy bay hơi đi vào môi trƣờng. Không khí sau khi nhận ẩm đƣợc quạt ly tâm hút và đẩy ra ngoài.
1.5. SẤ ƠM NHIỆT KẾT HỢP BỨC XẠ HỒNG NGOẠI 1.5.1. Mục đích sấy kết hợp
Sấy lạnh không khí đƣợc tách ẩm và nâng nhiệt làm cho áp suất riêng phần hơi nƣớc trong không khí nhỏ, chênh lệch gradien độ ẩm lớn, nhờ đ thúc đẩy quá trình khuếch tán ngoại. Sấy bằng không khí lạnh giữ đƣợc màu sắc, mùi vị, chất lƣợng sản phẩm.
Sấy bức xạ hồng ngoại do nhiệt bức xạ cao, xuyên thấu vào bên trong vật liệu sấy làm nóng từ trong ra làm cho gradien nhiệt độ tăng , quá trình khuếch tán nội tăng đẩy nhanh quá trình sấy.
Sự kết hợp của hai phƣơng pháp sấy này sẽ làm tăng tốc độ sấy, giảm thời gian sấy. Điều này c ý nghĩa lớn khi sấy các sản phẩm thủy sản vì giảm đƣợc nhiệt độ sản phẩm, thời gian sấy ngắn nên tránh đƣợc sự biến tính các thành phần trong sản phẩm, giữ đƣợc màu sắc tự nhiên, khả năng phục hồi tốt.
1.5.2. Một số nghiên cứu trong và ngoài nƣớc 1.5.2.1. Nghiên cứu trong nƣớc 1.5.2.1. Nghiên cứu trong nƣớc
Hiện nay, ở Việt Nam có rất nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng bức xạ hồng ngoại vào công nghệ sấy, đặc biệt trong lĩnh vực sấy khô nông sản, thủy sản.
Viện ứng dụng công nghệ Tp Hồ Chí Minh đã chế tạo thành công các nguồn phát hồng ngoại dạng hình tròn với các kích thƣớc dài ngắn khác nhau, thuận lợi cho việc thiết kế chế tạo thiết bị sấy dân dụng. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Đỗ Thị Bích Thủy, nghiên cứu quá trình sấy khô một số nguyên liệu nông sản c độ ẩm cao bằng bức xạ hồng ngoại. Kết quả nghiên cứu đã tìm ra đƣợc chế độ sấy thóc và lạc tối ƣu bằng máy sấy băng chuyền dùng đèn hồng ngoại với các thông số nhƣ sau: vận tốc băng tải: 7 m/s, khoảng cách bức xạ là 45cm, quá trình ủ ấm: 3 phút.
Trần Đại Tiến, nghiên cứu ảnh hƣởng của một số chế độ sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp sấy lạnh đến chất lƣợng của mực ống khô lột da. Kết quả nghiên cứu đã đƣa đến kết luận: Chất lƣợng mực ống khô đƣợc sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại kết hợp sấy lạnh tốt hơn so với phƣơng pháp sấy bức xạ kết hợp đối lƣu. Chế độ sấy bức xạ kết hợp sấy lạnh tốt nhất là: Nhiệt độ sấy là 35oC ± 1oC, vận tốc gió 2m/s ± 1m/s, khoảng cách bức xạ là 40cm.
Lê Văn Hoàng, sử dụng tia hồng ngoại trong quá trình bảo quản thóc. Kết quả nghiên cứu cho thấy khối hạt bảo quản đƣợc xử lí bằng bức xạ hồng ngoại thì không những côn trùng bị tiêu diệt gần nhƣ tuyệt đối, độ ẩm khối hạt nhanh ch ng đạt độ ẩm bảo quản cho phép mà chất lƣợng của khối hạt cũng đƣợc bảo giữ tối đa.
Phạm Đức Việt và các cộng sự - Viện công nghệ sau thu hoạch – Hà Nội, đã nghiên cứu sấy thóc, ngô, rau và rau gia vị bằng máy sấy gốm bức xạ hồng ngoại đã đƣa ra kết luận là sản phẩm thu đƣợc sau khi đƣợc sấy không bị tổn thất về chất lƣợng, mùi vị, hàm lƣợng các vitamin đƣợc bảo toàn, sản phẩm sấy đƣợc tiệt trùng. Thời gian sấy rút ngắn nhiều lần. Ðặc biệt khi sấy hạt giống tỷ lệ nảy mầm rất cao. Nếu cùng điều kiện sử dụng năng lƣợng điện thì sấy nông sản bằng gốm hồng ngoại dải tần hẹp chọn lọc tiết kiệm hơn về thời gian và năng lƣợng. Phƣơng pháp này không gây nguy hiểm, thiết bị c độ ổn định và độ bền cao.
1.5.2.2. Nghiên cứu ngoài nƣớc
Zhongli Pan và các cộng sự, nghiên cứu quá trình mất nƣớc của chuối khi sấy liên tục bằng bức xạ hồng ngoại và đông khô đã đƣa ra kết quả: Khi loại bớt nƣớc trong chuối cắt lát bằng cách sử dụng bức xạ hồng ngoại thì tỷ lệ khô cao hơn đáng kể