Các PPS đối lưu truyền thống sử dụng TNS có nhiệt độ không đổi trong suốt QTS để dịch chuyển ẩm ra khỏi VLS. Nhiệt truyền đến VLS chủ yếu theo phương thức đối lưu [26], [29]. Quá trình truyền nhiệt này phụ thuộc vào hệ số dẫn nhiệt
của vật liệu. Trong QTS, khi ẩm dịch chuyển ra lớp bề mặt của VLS, nó sẽ được thay thế bởi không khí và làm cho hệ số dẫn nhiệt của lớp bề mặt này giảm đi vì hệ số dẫn nhiệt của không khí thấp hơn của nước [24]. Nhiệt truyền từ TNS vào VLS giảm từ từ dẫn đến lượng ẩm dịch chuyển ra lớp bề mặt VLS giảm. Vì vậy, tốc độ truyền nhiệt cao tại bề mặt sẽ chỉ gây ra hiện tượng quá nhiệt lớp bề mặt VLS, dẫn đến các vấn đề về chất lượng mà không làm tăng đáng kể động học sấy [57].
Hàng loạt các kỹ thuật đã được áp dụng để nâng cao hiệu quả của QTS như đảo sản phẩm sấy, sấy tầng sôi hoặc vi sóng [26], [28], [29]. Thường thì các quy trình này cần nguồn cung cấp năng lượng cao hoặc dẫn đến hiện tượng cấp nhiệt không đồng đều khi sấy vi sóng hoặc dẫn đến hiện tượng cháy sản phẩm [69], [75], [99], [106], [107]. Sấy gián đoạn (SGĐ) đã được xem như là một biện pháp thay thế, đặc biệt là trong công nghiệp sấy thóc vì nó thể hiện một vài ưu điểm so với sấy liên tục (SLT) [54], [61]. Ngoài ra, nhiều nghiên cứu đã tán thành cách thay đổi nhiệt độ TNS trong khi vận hành HTS [65], [102].
Kỹ thuật sấy gián đoạn với chế độ cấp nhiệt thay đổi theo thời gian áp dụng với quá trình sấy buồng hoặc sấy mẻ có thể chia thành các loại sau [57] (hình 1.4):
a) Sấy gián đoạn bằng cách cấp nhiệt gián đoạn, thực hiện bằng cách ngắt dòng TNS cấp cho VLS (khoảng thời gian tương ứng với việc ngắt dòng TNS này được gọi là khoảng thời gian nghỉ hoặc thời gian ủ).
b) Sấy-thông gió là một QTS liên quan đến việc kết hợp chu kỳ sấy ngắn nhiệt độ cao, ủ và quá trình làm mát chậm để kết thúc QTS.
c) Đảo chiều dòng TNS (theo một hướng trong một thời gian nhất định, sau đó đảo chiều), áp dụng cho sấy hạt lớp chặt.
d) Sấy theo chu kỳ tức QTS mà nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ TNS biến thiên theo một quy luật lặp xác định như hình sin, sóng vuông hoặc răng cưa. Áp suất TNS trong buồng sấy cũng có thể được thay đổi theo chu kỳ.
Theo Chua và cộng sự [61], SGĐ theo phương án a) nêu trên bao gồm 2 giai đoạn độc lập gồm cấp nhiệt và ủ được thực hiện ở chế độ luân phiên. Do độ chứa ẩm tại bề mặt VLS tăng trong giai đoạn ủ nên tốc độ sấy trong giai đoạn cấp nhiệt kế tiếp tăng lên đáng kể, điều này làm tăng động học sấy. Tuy nhiên, do tốc độ sấy bị hạn chế trong giai đoạn ủ trước đó nên thời gian sấy tổng tăng lên một chút nhưng được bù lại bởi độ giảm năng lượng tiêu thụ và chất lượng SPS tốt hơn.
21
Nhiều nhà nghiên cứu đã tiến hành nghiên cứu SGĐ bằng không khí nóng với thóc [51], [62], [63], [108].
Hình 1.4. Các hình thức sấy gián đoạn [57].
Thay đổi nhiệt độ TNS theo bậc
Việc thay đổi nhiệt độ TNS theo bậc là một phương pháp hiệu quả để giảm thời gian sấy và cải thiện chất lượng sản phẩm [55]. Việc thay đổi nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ TNS làm tăng chất lượng sản phẩm cũng như cải thiện động học sấy [78], [79], [80]. Tuy nhiên, đối với các vật liệu nhạy cảm với nhiệt như rau hoa quả, nhiều trở lực cản trở quá trình dịch chuyển nhiệt và ẩm trong lòng VLS, nên ảnh hưởng của tốc độ và độ ẩm không quan trọng bằng nhiệt độ TNS [53], [77], [88], [92], [102].
Một vài nghiên cứu đã tập trung vào ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ TNS theo bậc đến động học sấy. Sự cuốn hút của những nghiên cứu này là thời gian sấy hiệu quả ngắn, chất lượng SPS cao hơn (giảm độ co ngót, nứt, độ giòn) và cải thiện hàm lượng chất lượng dinh dưỡng còn lại trong SPS [65], [102]. Ví dụ, Devahastin và
Kiểu ON/OFF
Thay đổi tùy ý/ hoặc được điều khiển
Biên độ và độ dốc không đổi
∙ Thay đổi tuyến tính hoặc theo hàm mũ
∙ Thay đổi theo nhiệt độ bề mặt vật liệu Các hình thức sấy gián
đoạn (cấp nhiệt, tốc độ TNS, độ ẩm, áp suất)
Biên độ/tần số không đổi Thay đổi
dạng chu kỳ
Thay đổi độ dốc Chu kỳ/độ dốc
thay đổi
Biên độ và độ dốc khác nhau Biên độ/tần số
thay đổi
Mujumdar [65] đã nghiên cứu lý thuyết QTS ngũ cốc theo chế độ giảm nhiệt độ TNS theo bậc và thấy rằng thời gian sấy có thể giảm tới 30% so với sấy liên tục.
Trong một nghiên cứu khác Oezilgen và cộng sự [98] đã giới thiệu một chế độ sấy táo với nhiệt độ TNS cao tại thời điểm ban đầu và sau đó giảm liên tiếp, kết quả là sản phẩm có được màu sắc tốt hơn so với khi sấy với nhiệt độ TNS không đổi.
Ngoài ra, Chua và cộng sự [60] đã đưa ra kết luận rằng việc thay đổi nhiệt độ TNS theo thời gian một cách hợp lý có thể giảm sự thay đổi về màu sắc SPS là rau hoa quả. Tuy nhiên, Chong và Law [56] đã lưu ý rằng khi sấy theo chế độ giảm dần nhiệt độ theo bậc, nhiệt độ TNS tại giai đoạn cuối QTS không thể quá thấp do ảnh hưởng của độ chứa ẩm cân bằng.
1.6.2. Một số kết quả nghiên cứu điển hình về sấy gián đoạn trên thế giới Một vài nghiên cứu trên mô hình thực nghiệm đã xuất hiện trong lịch sử nghiên cứu về SGĐ, ví dụ Giowacka và Malczewski (trong tài liệu [61]) đã giải phương trình của Luikov để nghiên cứu động học sấy của vật liệu dạng hạt với chế độ thay đổi nhiệt độ TNS theo thời gian. Cũng theo [61], ảnh hưởng của mức độ gián đoạn đến vấn đề tiết kiệm năng lượng đã được Jumah và cộng sự nghiên cứu khi sấy thóc gián đoạn trong một TBS phun, năng lượng tiết kiệm được có thể tới 37%. Theo Mujumdar [94], Ratti và cộng sự đã đưa ra mô hình nghiên cứu sấy theo mẻ với tốc độ TNS thay đổi theo thời gian và kết quả cho thấy tổng lượng tiêu hao không khí (TNS) giảm mà không làm tăng đáng kể thời gian sấy.
Bằng thực nghiệm, Chua và cộng sự [57] đã xác định được nhiều ưu điểm của SGĐ (thay đổi nhiệt độ) tới chất lượng sản phẩm. Các tác giả này đã nhận thấy rằng với việc lựa chọn thích hợp nhiệt độ TNS khi sấy gián đoạn, sự cải thiện về hàm lượng axit ascorbic (vitamin C) của ổi (thái lát) sau khi sấy (Psidium guava) có thể tăng tới 20% so với trường hợp không thay đổi nhiệt độ.
Trong báo cáo của mình năm 2003, Chua và cộng sự [61] đã khẳng định SGĐ bằng cách thay đổi nhiệt độ sẽ làm giảm sự thay đổi màu sắc tổng thể của khoai tây, ổi, chuối với các giá trị tương ứng là 87%, 75%, 67% .
Kowalski và Pawlowski [79] đã áp dụng SGĐ vào việc sấy gỗ bằng cách thay đổi nhiệt độ và độ ẩm TNS theo chu kỳ và kết quả là chất lượng gỗ tốt hơn so với trường hợp không thay đổi thông số TNS.
Năm 2009, Tuyen và cộng sự [117] đã báo cáo về việc sử dụng giai đoạn ủ trong thời gian đầu QTS đầu khi sấy thóc tầng sôi và trong thời gian cuối QTS khi
23
sấy thóc lớp mỏng có thể làm giảm độ nứt hạt và cải thiện độ cứng. Thakur và Gupta [114] cũng đã báo cáo rằng, giai đoạn ủ kép giữa hai giai đoạn cấp nhiệt khi sấy tầng sôi cũng như hai giai đoạn của sấy trên ghi và có thể làm giảm tiêu thụ năng lượng, cải thiện độ cứng của sản phẩm.
Năm 2011, Kowalski và Pawlowski [80] đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm SGĐ trên vật mẫu là khối đất sét hình trụ đường kính 50 mm, chiều cao 60 mm. Kết quả chỉ ra rằng SGĐ sẽ làm cho chất lượng sản phẩm tốt hơn so với sấy ở điều kiện không đổi ở cùng một thời gian sấy như nhau. Bên cạnh đó, các tác giả còn nhận xét thấy rằng, chất lượng sản phẩm tốt nhất khi thay đổi độ ẩm của TNS nhưng kèm theo đó là tiêu hao năng lượng lớn hơn đôi chút.
1.6.3. Sấy gián đoạn với hệ thống sấy lạnh dùng bơm nhiệt
Theo báo cáo của Mujumdar [94] thì vào năm 1991, chính tác giả này đã xác nhận và đề xuất lần đầu tiên việc sử dụng nhiều chế độ cấp nhiệt cho VLS, cũng như thay đổi theo quy luật các thông số TNS, áp suất làm việc trong buồng sấy lạnh theo mẻ bằng bơm nhiệt. Với các phương pháp này, có thể tăng nhanh động học sấy mà không ảnh hưởng xấu đến chất lượng SPS.
Chua và cộng sự [58] đã giới thiệu ảnh hưởng của sự thay đổi nhiệt độ TNS theo thời gian đến chất lượng của các sản phẩm nông nghiệp trong HTS bơm nhiệt dạng hầm. Law và cộng sự [84] đã đề xuất các phương án thay đổi nhiệt độ TNS theo chu kỳ hoặc giảm từng bước, áp suất buồng sấy, tốc độ TNS thay đổi theo chu kỳ, thay đổi chiều dòng TNS, v.v...
Trong [57], Chou và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu SGĐ khoai tây kích thước lớn trong HTS bơm nhiệt hai nhiệt độ sôi. Kết quả thực nghiệm đã chứng tỏ sự phù hợp với các kết quả nghiên cứu động học quá trình SGĐ bằng mô hình toán học dựa trên độ thấm hơi và độ thấm lỏng. Thời gian sấy khi sấy theo sơ đồ cấp nhiệt với nhiệt độ TNS thay đổi theo quy luật ngắn hơn so với SLT.
Tình hình nghiên cứu sấy gián đoạn ở Việt Nam
Nói chung, ở Việt Nam chưa có nghiên cứu về SGĐ. Trong một số nghiên cứu về sấy lạnh bằng bơm nhiệt các tác giả có nhắc đến thời gian xả băng dàn lạnh [8], [14], [19], [23], [32], [35], ..., thậm chí Nguyễn Phong Nhã [23] còn nghiên cứu thời gian xả băng hợp lý. Khoảng thời gian xả băng này chính là khoảng thời gian ủ để VLS
được "hồi ẩm" dẫn đến động học sấy tốt hơn như trong QTS gián đoạn nhưng các tác giả đề cập đến vấn đề đó một cách ngẫu nghiên vì vẫn coi QTS là liên tục.
Bên cạnh đó có một số quy trình và chế độ sấy về bản chất là SGĐ đã được nêu trong các tài liệu [26], [28] nhưng hầu hết là sấy bằng không khí nóng và khói lò.
Trong [9], các tác giả Trần Quốc Dũng, Nguyễn Văn Minh đã tiến hành thực nghiệm sấy gỗ thông bằng HTS lạnh dùng bơm nhiệt. Nhiệt độ TNS được khống chế dưới 250C. Chế độ được thay đổi theo từng giai đoạn sấy của gỗ, mở đầu là 250C, tiếp đó là 180C và kết thúc là quay trở lại 250C. Kết quả cho thấy chất lượng gỗ tốt hơn hẳn, tỉ lệ gỗ nứt nẻ bị giảm đi so với trường hợp sấy ở một chế độ 200C hoặc 250C. Về bản chất, đây chính là sấy gián đoạn.
Như vậy, những nghiên cứu về SGĐ được thực hiện trên HTS lạnh bằng bơm nhiệt vẫn còn tương đối mới và chưa được nghiên cứu nhiều. Việc nghiên cứu và áp dụng các phương pháp SGĐ khác nhau đối với HTS nói chung và HTS bơm nhiệt nói riêng là rất cần thiết và chắc chắn sẽ thu được nhiều kết quả khả quan, đặc biệt là về hiệu quả năng lượng.