chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết, cần phải xây dựng một thiết bị thực nghiệm là một HTS lạnh dùng bơm nhiệt và lựa chọn một loại nông sản để làm VLS.
2.3.1. Xây dựng mô hình thí nghiệm
2.3.1.1. Vài nét về chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi
Một chu trình lạnh nhiều nhiệt độ sôi là chu trình có một máy nén, một dàn ngưng và có ít nhất hai nhiệt độ sôi (hay bay hơi) [17], [59], [92]. Sự khác biệt giữa hai mức nhiệt độ sôi tại các dàn sẽ tạo ra các môi trường lạnh có nhiệt độ và năng suất lạnh khác nhau để từ đó có thể điều chỉnh các thông số nhiệt độ, độ ẩm phù hợp với nhiều yêu cầu công nghệ [16]. Việc bố trí các dàn bay hơi thường chỉ có hai dạng, nối tiếp hoặc song song.
Dàn ngưng
Máy nén
Dàn bay hơi
áp suất cao Dàn bay hơi
áp suất thấp TL 2
TL 1
a) Hai dàn bay hơi được mắc nối tiếp;
Máy nén
Dàn bay hơi
áp suất cao
Dàn bay hơi
áp suất thấp TL 1
TL 2 Dàn ngưng
b) Hai dàn bay hơi được mắc song song Hình 2.2. Sơ đồ cách mắc các dàn bay hơi
31
Về bản chất thì hai dàn bay hơi mắc nối tiếp cũng tạo ra được hai cấp nhiệt độ để làm lạnh. Nhược điểm của hệ thống nối tiếp là môi chất bắt buộc phải đi qua lần lượt các dàn bay hơi thì mới hoàn thành được chu trình, như vậy nếu muốn chỉ sử dụng một trong hai dàn như trong hệ thống song song là khó thực hiện (hình 2.2).
Nguyên lý hoạt động (hình 2.3): Hơi môi chất từ điểm hòa trộn (1) tại áp suất sôi p02 được nén lên điểm (2) tại áp suất ngưng tụ pk. Tại đây hơi môi chất quá nhiệt đi vào dàn ngưng để tỏa ra lượng nhiệt Qk và sau khi ra khỏi dàn ngưng môi chất ở thể lỏng (điểm (3)). Một phần môi chất lạnh lỏng vào dàn bay hơi áp suất cao p01, ứng với nó là nhiệt độ sôi t01, môi chất thu nhiệt của môi trường xung quanh để hóa hơi tới điểm (7). Phần môi chất lạnh lỏng còn lại được tiết lưu xuống áp suất p02 tại điểm (5).
Tại nhiệt độ sôi tương ứng là t02, môi chất
nhận nhiệt của môi trường để bay hơi tới điểm (6). Hơi môi chất tại áp suất p01 (7) sau khi đi qua dàn bay hơi được van điều áp KVP tiết lưu xuống áp suất p02 (8). Hơi môi chất tại (6) và (8) hòa trộn cùng nhau đạt tới điểm (1), kết thúc chu trình. Ở đây, van KVP không chỉ có vai trò tiết lưu hơi hút mà còn có vai trò duy trì áp suất (chi tiết
bh áp thấp TL1
TL2 5
8 2
7 bh áp cao 3
Hòa trộn 1
MN
6 4
Ngng tô
3
Van KVP
Van 1 chiÒu
V§T PC
V§T
1 4
5 6
7
2
h lgp
3
8
1-
Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi, hai dàn bay hơi mắc song song.
i
xin xem [17]).
2.3.1.2. Lựa chọn chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi vào việc xây dựng mô hình thí nghiệm
Năm 2005, Chua và cộng sự [59] đã khẳng định những ưu điểm của HTS lạnh trên cơ sở chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi. Đó là lượng nhiệt thu hồi được từ các dàn lạnh lớn hơn 35% so với trường hợp chỉ có một nhiệt độ sôi. Việc điều chỉnh nhiệt độ hoặc áp suất bay hơi hoặc phối kết hợp sự làm việc của các dàn trao đổi nhiệt trong hệ thống tạo ra khả năng điều chỉnh linh hoạt thông số TNS, điều này theo chúng tôi là phù hợp với kỹ thuật SGĐ. Tại Việt Nam, Hoàng Ngọc Đồng [10] cũng đã sử dụng hai dàn lạnh để tăng lượng nhiệt thu hồi từ TNS sau khi ra khỏi BS nhưng nhiệt độ sôi của môi chất lạnh trong hai dàn này là bằng nhau.
2.3.1.3. Sơ đồ và nguyên lý HTS lạnh bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi HS-01 Khác với các HTS bơm nhiệt thông thường [8], [12], [16], [19], [23], HTS lạnh bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi có 02 dàn bay hơi mắc song song. TNS là không khí sau khi ra khỏi buồng sấy sẽ được đi qua dàn bay hơi áp suất cao rồi tiếp tục đi qua dàn bay hơi áp suất thấp trước khi được quạt đưa trở lại dàn ngưng và trở về buồng sấy.
Hình 2.4 và hình 2.5 giới thiệu sơ đồ nguyên lý và kết cấu HTS HS-01 đã được xây dựng tại Phòng thực hành Bộ môn Kỹ thuật Nhiệt trường Đại học Giao thông Vận tải để tiến hành các nghiên cứu thực nghiệm do luận án đặt ra.
HS-01 được thiết kế ban đầu với năng suất 3,0 kg/mẻ, nhiệt độ TNS là 350C.
Trình tự tính toán thiết kế được thực hiện theo các tài liệu [16], [21], ...
2.3.1.4. Mô hình hệ thống sấy lạnh bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi HS-01 Hình 2.6 là hình ảnh mô hình HTS lạnh bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi HS-01.
Các thông số về hệ thống được giới thiệu trong bảng 2.1. HTS HS-01 bao gồm 01 máy nén Matsushita công suất 01 HP, 01 van điều áp KVP của hãng Danfoss, 02 dàn ngưng giống hệt nhau (1 dàn bố trí bên trong và 1 dàn bố trí bên ngoài vòng tuần hoàn TNS), 02 cụm dàn bay hơi giống hệt nhau. Môi chất lạnh là R22. TNS sau khi rời khỏi buồng sấy (BS) sẽ lần lượt đi qua dàn bay hơi áp cao, dàn bay hơi áp thấp, quạt ly tâm (nhiều tốc độ) và dàn ngưng trong rồi quay trở lại BS. Trong hệ thống có bố trí đường bypass TNS có thể thay đổi được độ mở. Trước mỗi dàn bay hơi và dàn ngưng đều bố trí van điện từ nhằm khống chế dòng môi chất đi qua các dàn.
MN
Hòa trộn Van KVP
Van 1 chiÒu TL1
TL2
NTt NTn
NTt
Buồng sấy
7 8 1 4
5 6
3 2
BHt
Van điện từ
Van điện từ
TL1 TL2
4 5
7
8 6
MN
NTn
BHc
Quạt
1 2
BHc BHt
3
Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bơm nhiệt hoạt động theo chu trình lạnh hai nhiệt độ sôi.
MN - máy nén; NTt - dàn ngưng trong; NTn - dàn ngưng ngoài; TL - tiết lưu; BHc - dàn bay hơi áp cao; BHt - dàn bay hơi áp thấp. Các số từ 1 đến 8 tương ứng với trạng thái môi chất trên đồ thị lgp-i (hình 2.3).
33
5
2 5
6 3 4
1
11
10 8
9
7
12
A
780
1700
720
3
9
A - A
11
12
2 8
9 B
B
10 Buồng
sÊy B - B
34
Hình 2.5. Cấu trúc mô hình hệ thống sấy hai nhiệt độ sôi:
1. Khung vỏ cách nhiệt; 2. Dàn ngưng ngoài; 3. Dàn ngưng trong; 4. Điện trở sưởi; 5. Khay sấy; 6. Buồng sấy;
7. Van gió; 8. Dàn bay hơi áp cao; 9. Dàn bay hơi áp thấp; 10. Quạt ly tâm; 11. Máy nén; 12. Bình tách lỏng.
35
Hình 2.6. Hình ảnh mô hình hệ thống sấy.
Bảng 2.1. Thông số HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi HS-01
STT Mục Thông số Ghi chú
1 Máy nén Hãng sản xuất Matsushita
(block kín) Model PS164D2AA05
Công suất động cơ điện, kW 0,746 2 Dàn bay hơi Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2 0,755
(2 hàng ống), Kích thước cao × dài × rộng, mm 210×195×42
nhiệt độ bay hơi: Bước cánh, mm 2,54*
-14,60C và -9,50C Số lượng dàn 4
Kiểu mắc Song song
3 Dàn ngưng trong Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt, m2 1,46 và ngoài, nhiệt độ Kích thước cao × dài × rộng, mm 230×250×77
ngưng tụ 39,10C Bước cánh, mm 2,54
4 Thiết bị tiết lưu Ống mao TL1, TL2 Ống đồng 3 5 Van điều áp Danfoss KVP-12
6 Đường kính ống dẫn Ống hút, mm 10
môi chất Ống đẩy, mm 10
Ống dẫn lỏng, mm 6
7 Buồng sấy Cao × dài × rộng, m 0,7 × 0,6 × 0,3
* Do kích thước BS bị hạn chế, khối lượng VLS nhỏ nên khi vận hành HTS HS-01, hiện tượng tắc dàn do băng tuyết đã không xảy ra mặc dù bước cánh là 2,54 mm.
Bảng 2.2 liệt kê các thiết bị và dụng cụ đo trong hệ thống. Các thiết bị đo Trung quốc chỉ để xác định xu hướng dịch chuyển nhiệt độ, áp suất trong hệ thống để có phương án điều khiển thông số TNS.
Bảng 2.2. Thiết bị và dụng cụ đo trong hệ thống sấy HS-01 Tên thiết bị Dải đo Sai số/Cấp
chính xác Hãng sản xuất Đồng hồ đa năng:
- Đo nhiệt độ - Đo độ ẩm - Đo tốc độ
-10 ÷ 60°C 0 ÷ 95%
0 ÷ 30 m/s
± 0,3°C
± 3%
± 3%
TSI (Mĩ), model 8347
Nhiệt kế ST – 1A -50 800C ± 0,50C KI&BNT (Trung Quốc) Thiết bị đo áp suất, nhiệt
độ môi chất lạnh
0 16 bar -100 450C
Cấp chính xác 1,5
Hengsen (Trung Quốc) Công tơ điện CV140 220 V, 5 20 A,
50 Hz
Cấp chính
xác 2 VEC (Việt Nam)
Cân lò xo 0 500 g 2 g Nhơn Hòa
(Việt Nam)
Cân Vibra 0 1200 g ± 0,01g Vibra (Nhật Bản),
model HJR-1200E
Ống định mức 1000 ml 1000 ml ± 5 ml Trung Quốc
Ống định mức 50 ml 50 ml ± 1 ml Trung Quốc
Đồng hồ đo điện đa năng (điện áp, dòng điện)
0 - 399,9 V 0 - 399,9 A
± 1,2%
± 1,5%
Kyoritsu (Nhật Bản) model 2007A Hình 2.7 giới thiệu vị trí bố trí các đầu đo thông số TNS (nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ). Hình 2.8 giới thiệu cách bố trí các đầu cảm trong một mặt đo. Thông số cần xác định sẽ là trị số trung bình của các các giá trị đo được tại các điểm trên một mặt đo.
Mô hình hệ thống sấy HS-01 có tính linh hoạt cao. Bằng cách sử dụng phối hợp van điện từ đóng ngắt các dàn lạnh, dàn nóng; đóng hoặc mở bypass (điều chỉnh được độ mở trong khi HTS đang hoạt động), có thể tạo ra rất nhiều chế độ hoạt
37
động khác nhau của hệ thống, đồng nghĩa với việc điều chỉnh linh hoạt thông số tác nhân sấy cũng như khả năng cấp nhiệt hoặc làm lạnh theo chu kỳ (xin xem thêm mục 2.3.5.2)... Trên thực tế, chúng tôi đã vận hành HTS với các chế độ hoạt động các dàn nêu trong bảng 2.3.
M§1
M§3 M§2 M§4
M§5 M§6
M§7 63
453
77 137
85
94
Hình 2.7. Vị trí đặt các đầu đo thông số TNS:
MĐ1 - (t1, 1, a1); MĐ2 - (t2, 2); MĐ3 - (t3, 3); MĐ4 - (t4, 4); MĐ5 - (t5, 5);
MĐ6 - (t6, 6, a6); t, và a lần lượt là nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ TNS tại mặt đo.
Bảng 2.3. Các chế độ vận hành HTS HS-01
Hoạt động của các dàn trao đổi nhiệt TT Tên chế độ
NTn NTt BHc BHt
1 A OFF ON ON OFF
2 B ON ON ON OFF
3 C OFF ON OFF ON
4 D ON ON OFF ON
5 E ON ON ON ON
6 F OFF ON ON ON
7 G ON OFF ON ON
Ghi chú: NTn – dàn ngưng ngoài, NTt – dàn ngưng trong, BHc – dàn bay hơi áp cao, BHt – dàn bay hơi áp thấp, ON – hoạt động, OFF – không hoạt động.
1 2 4 3
5 6
7 8 9
1 2
4 3 5
6
Hình 2.8. Vị trí đặt các đầu đo thông số TNS trong một mặt đo.
a) Mặt đo 1 đến 6; b) Mặt đo 7.
2.3.2. Lựa chọn vật liệu nghiên cứu
Vật liệu được sử dụng làm đối tượng nghiên cứu ở trong luận án là khoai tây cắt lát (tấm phẳng).
2.3.2.1. Giới thiệu chung về khoai tây
Ở nhiều nước, với tên khoa học Solanum tubersum, khoai tây là nguồn thức ăn chính. Với sản lượng trên 300 triệu tấn, khoai tây là một trong những sản phẩm chính của ngành nông nghiệp trên các địa hình và trong các điều kiện khí hậu khác nhau. Ở các nước phát triển, hơn 50% sản lượng khoai tây được tiêu thụ ở hình thức sản phẩm chế biến. Các sản phẩm
chế biến có thể ở trong các hình thức chip, hạt, mảnh lát, thái mỏng, dải, bột, v.v... [92].
Củ khoai tây đưa vào chế biến gồm các phần: vỏ ngoài, lớp vỏ não, phần bên ngoài lớp thịt, phần bên trong lớp thịt [122]
(hình 2.9). Thành phần hóa học của khoai tây củ được giới thiệu trong Phụ lục A. Khoai tây được xem là giàu chất dinh dưỡng hơn là năng lượng cung cấp. Tinh bột là thành phần chính của khoai tây
a) b)
Hình 2.9. Cấu tạo củ khoai tây [122]
a. Vỏ ngoài; b. Lớp vỏ não; c. Lớp thịt bên ngoài; d. Lớp thịt bên trong.
Đường biên giao tuyến mặt đo Đường biên giao tuyến mặt đo
39
khô, cung cấp một lượng lớn năng lượng. Khoai tây có chứa một chút polyacharied, cấu thành chất xơ. Khoai tây cũng chứa các chất khoáng có giá trị như vitamin C, một vài vitamin khác [92].
2.3.2.2. Chế biến và sấy khoai tây a. Xử lý sơ bộ khoai tây trước khi sấy
Việc gọt vỏ là một trong những bước quan trọng nhất trong quá trình xử lý khoai tây. Sau khi gọt vỏ, khoai tây được cắt ra thành hình dạng định trước, chúng được chần bằng cách cấp nhiệt hoặc trong hơi nước, nước nóng (930C hoặc 1000C).
Khâu này sẽ phá hủy các enzyme không hoạt động - loại enzyme có thể làm khoai tây bị đen trong quá trình sấy hoặc mất mùi vị trong quá trình bảo quản. Khâu chần cũng làm giảm nguy cơ bị hư hỏng do các vi khuẩn và có ảnh hưởng tới việc thủy hóa trở lại sản phẩm đã được sấy khô [92].
b. Các phương pháp sấy khoai tây
Việc sấy khô khoai tây đã được thực hiện rất sớm từ những năm 200 sau công nguyên tại một khu vực miền núi ở Peru [92]. Ngày nay, QTS khoai tây được xem là một khâu quan trọng nhất trong việc xử lý và chế biến các sản phẩm khoai tây ở các dạng hạt, bột, miếng, lát, ... QTS có thể là thao tác cuối khi chế biến khoai tây dạng lát, miếng, bột, ... hoặc là gần cuối khi sấy khoai tây dạng hạt, sản phẩm ăn liền, hoặc ở giữa quy trình khi sản phẩm là chíp, khoai tây tươi rán (lúc đó sấy được tổ chức như là sấy sơ bộ trước khi đưa vào rán bằng công nghệ hiện đại). Người ta đã sử dụng hàng loạt cách sấy khác nhau với các sản phẩm xác định. Các thiết bị sấy buồng, hầm, thùng quay, lô hoặc băng chuyền thường xuyên được sử dụng trong công nghiệp chế biến khoai tây [92].
c. Các chế độ sấy khoai tây
Không giống như một số nông sản thực phẩm khác, khoai tây có thể được chế biến và sấy theo nhiều cách, trở thành nhiều loại sản phẩm khác nhau nhưng tổng kết lại, khoai tây được sấy bằng các phương pháp sấy đối lưu, hồng ngoại với hai dải nhiệt độ sấy phổ biến như sau [92]:
- Sấy đối lưu: nhiệt độ cao 600C đến 1000C, trong đó phổ biến là 600C 650C;
sấy ở nhiệt độ trung bình từ 300C 310C.
- Sấy hồng ngoại: nhiệt độ từ 23,50C 550C.
Nếu sấy khoai tây ở nhiệt độ cao rất dễ phá hủy hoặc làm biến đổi tính chất của các thành phần hóa học, ví dụ như: chất xơ bị biến đổi ở 3200C [42], protein bị biến tính ở nhiệt độ lớn hơn 600C [43]; tinh bột hóa hồ ở 550C 790C [44]; pectic bị phân hủy ở 850C [123].
Trong [67], Haghi và Amanifard đã tiến hành sấy khoai tây bằng vi sóng. Khoai được cắt thành miếng có đường kính 20 và 30 mm, bề dày 3 mm. Công cụ nghiên cứu QTS được các tác giả sử dụng là hệ phương trình TNTC độc lập với nhau. Với bề dày lát khoai 10 mm, các tác giả trong [69] đã tiến hành nghiên cứu sấy đối lưu với nhiệt độ TNS: 550C, 700C, 850C, tốc độ TNS 0,5 m/s và 1 m/s.
Cũng với mẫu VLS dạng lát, đường kính 4 cm, bề dày mẫu 3, 6, 9 mm, Youcef- Ali và cộng sự [125] đã tiến hành sấy đối lưu bằng năng lượng mặt trời. Dải nhiệt độ TNS rộng hơn: 280C, 36,320C, 500C và 600C. Cũng là mẫu VLS dạng lát (5, 10 và 15 mm) nhưng Azizi và cộng sự [52] đã tiến hành sấy đối lưu với tốc độ TNS cao hơn, ở mức 4 m/s, dải nhiệt độ từ 500C 800C.
Với mẫu khoai tây hình khối 10 x 20 x 45 mm, Hassini và cộng sự [68] đã tiến hành nghiên cứu QTS đối lưu khoai tây với các nhiệt độ: 450C, 500C, 550C, 700C, 850C, độ ẩm TNS tương đối thấp: 8 28%, tốc độ 0,5 1,5 m/s. Nghiên cứu này đã chỉ ra rằng, không giống như việc tăng nhiệt độ, việc tăng tốc độ TNS có ảnh hưởng nhỏ đến thời gian sấy. Cụ thể, ở một nhiệt độ TNS xác định, tốc độ TNS tăng từ 0,5 đến 2,5 m/s không rút ngắn đáng kể thời gian sấy.
Trong nghiên cứu của mình [126], Zhou và cộng sự đã sấy khoai tây bằng kỹ thuật sấy vi sóng, mẫu khoai tây gồm 2 loại: trụ (đường kính 50 mm, chiều cao 40 mm) và hình khối (30 x 48 x 64 mm). Công cụ lý thuyết để nghiên cứu QTS này là các phương trình vi phân TNTC riêng biệt, có nguồn nhiệt bên trong.
Trong nghiên cứu gần đây (2007), Srikiatden và Roberts [111] đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm QTS khoai tây với mẫu VLS hình trụ đường kính 1,4 cm và 2,8 cm, nhiệt độ và tốc độ TNS lần lượt là 700C và 1,5 m/s. Công cụ nghiên cứu lý thuyết của hai tác giả này hoàn thiện hơn các công trình kể trên ở điểm đó là họ sử dụng hệ phương trình vi phân TNTC đồng thời với hệ số khuếch tán hiệu quả Deff phụ thuộc nhiệt độ. Bên cạnh đó, các tác giả đã sử dụng phương pháp tiên tiến để xác định profile nhiệt độ và độ chứa ẩm trong lòng VLS trong QTS. Kết quả
41
thực nghiệm cho thấy độ phù hợp tương đối cao giữa mô hình lý thuyết và thực nghiệm. Tuy nhiên trong nghiên cứu này, các tác giả đã bỏ qua trở lực tại bề mặt, có nghĩa là bỏ qua ảnh hưởng của chế độ sấy tới QTS và bỏ qua độ co ngót.
Năm 2001, Hui và cộng sự [71] đã tiến hành nghiên cứu QTS khoai tây thái lát dày 1,5 cm, đường kính 3,0 cm bằng phương pháp sấy đối lưu ở nhiệt độ và độ ẩm TNS là 600C và 5,4%. TNTC đã được các tác giả xem là đồng thời khi nghiên cứu QTS. Bên cạnh đó, các tác giả cũng đã tính đến sự co ngót của VLS trong công trình của mình bởi VLS ở đây được coi là tương đối dày.
Theo một hướng nghiên cứu khác, Chou và cộng sự [57] cũng đã sử dụng hệ phương trình vi phân TNTC đồng thời để nghiên cứu QTS sấy đối lưu khoai tây ở các nhiệt độ TNS tương đối thấp là 250C, 300C và 400C. Mẫu VLS có kích thước 15 x 30 x 30 mm. Tốc độ và độ ẩm TNS là 2,5 m/s và 30%. Điểm khác biệt của nghiên cứu này so với nghiên cứu của Skiriatden và Robert [111] là các tác giả đã sử dụng giả thiết tồn tại cả khuếch tán lỏng và hơi trong QTS với các hệ số thấm hơi và thấm lỏng bằng hằng số. Bên cạnh đó, các tác giả này cũng đã tiến hành nghiên cứu SGĐ và khẳng định ưu điểm của SGĐ ở khía cạnh rút ngắn thời gian sấy, tiết kiệm năng lượng và sự cải thiện về chất lượng SPS.
d. Yêu cầu chất lượng khoai tây sấy
Theo [2], [45], khoai tây sau khi sấy phải đảm bảo các yêu cầu chất lượng:
- Các miếng khoai tây phải sạch sẽ, có màu vàng tươi, không có màu xám, màu nâu. Phải có mùi thơm đặc trưng, không có mùi lạ.
- Sản phẩm không có các chất gây mất vệ sinh như bụi, gỗ, cỏ,... hoặc các phần tử kim loại khác.
- Độ ẩm không vượt quá 12%.
e. Sơ lược về tình hình và nhu cầu sử dụng khoai tây ở Việt Nam
Ở Việt Nam, ngành chế biến khoai tây mới xuất hiện khoảng 10 năm, nhưng đang phát triển rất mạnh mẽ [41]. Tiêu dùng khoai tây đang chuyển từ thị trường tiêu thụ tươi sang các sản phẩm chế biến có giá trị gia tăng như khoai tây rán chẳng hạn. Sản phẩm chế biến từ khoai tây đã khá đa dạng như khoai tây rán giòn, khoai tây chiên và tinh bột. Sản phẩm khoai tây chiên kiểu Pháp và khoai tây rán giòn đã trở nên quen thuộc với người Việt Nam, với các thương hiệu: Zon Zon, Snack, Bim