Nhờ những ưu điểm vượt trội về khả năng thu hồi nhiệt, tiết kiệm năng lượng, thân thiện với môi trường … hiện nay bơm nhiệt đã được nghiên cứu và ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực sấy khác nhau [16], đặc biệt khi ứng dụng trong công nghệ sấy nông sản thực phẩm [35], [38], [40]. Những ưu điểm nổi bật cũng như đặc thù của sấy lạnh bằng bơm nhiệt ngày càng thúc đẩy các nhà khoa học tập trung đi vào nghiên cứu về lĩnh vực này theo các hướng và mục tiêu khác nhau [28], [34].
1.5.1. Các nghiên cứu về sấy lạnh bằng bơm nhiệt trên thế giới
Từ rất sớm (1950) ở Mỹ người ta đã xây dựng một thí nghiệm sấy hạt nông sản bằng bơm nhiệt [16]. Bơm nhiệt có công suất máy nén 570 W, môi chất R12, quạt gió ly tâm công suất 380 W. Nhiệt độ sấy từ 43 ÷ 54°C, tiêu tốn năng lượng cho 1 kg ẩm ở nhiệt độ 43°C là 0,28 kWh/kg, ở 54°C là 0,27 kWh/kg.
Một số công trình nghiên cứu gần đây về sấy lạnh bằng bơm nhiệt đã công bố được nêu trong bảng 1.1. Một số nghiên cứu của Prasertsan [103], Soponronnarit [109], Strommen [112] cho thấy các loại rau quả và nông sản được sấy lạnh cho
chất lượng về màu sắc và mùi vị tốt hơn so với các phương pháp sấy khác. Điều này cũng được khẳng định trong báo cáo của Mujumdar [93]. Alves - Filho [48] đã nghiên cứu sấy bột thực phẩm dành cho người ăn kiêng bằng phương pháp sấy lạnh cho thấy sản phẩm sau khi sấy có sự biến tính protein rất ít cũng như giữ được hoạt tính của enzyme so với bột thực phẩm được sản xuất bằng PPS chân không.
Bảng 1.1. Các nghiên cứu về sấy lạnh bằng bơm nhiệt gần đây của các tác giả trên thế giới [34], [64], [81], [101]
Tác giả Quốc gia Vật liệu sấy
K. Chou, K. Chua (1998) Singapore Nông sản và hải sản (nấm, trái cây, rong biển, sò)
Carington (1996), Sun (1996) New Zealand Gỗ tấm Prasertsan (1997); Prasertsan và
Saen-saby (1998) Thailand Sấy nông sản (chuối)
Meyer và Greyvenstein (1992) Nam Phi Các loại hạt
Rossi (1992) Brazil Rau củ (hành tây)
Nassikas và cộng sự (1992) Hy Lạp Giấy báo Strommen và Krammer (1994) Na Uy Hải sản (cá) Chua và cộng sự (2001) Singapore Chuối Phoungchandang và cộng sự (2003) Thailand Húng quế
Boonnattakorn (2004) Thailand Tỏi
Chottanom và Phoungchandang
(2005) Thailand Xoài
Hawlader và cộng sự (2006) Singapore Gừng
Rahman và cộng sự (2007) Oman Thực phẩm
Alves-Filho và cộng sự (2007) Na uy Ớt
Chegini và cộng sự (2007) Iran Mận
Aktaş và cộng sự (2009) Turkey Táo
Phoungchandang (2009) Thailand Tỏi, lá dâu tằm
PPS lạnh bằng bơm nhiệt đã được sử dụng để nghiên cứu QTS thịt quả hồng xiêm và cho thấy rằng TGS ngắn hơn so với sấy bằng không khí nóng (Jangam và cộng sự [73]). Việc nghiên cứu sấy quả xuân đào Úc (dạng thái lát) trong HTS lạnh bơm nhiệt đã được thực hiện bởi Sunthonvit và cộng sự [113]. Kết quả cho thấy sản phẩm sấy (SPS) có chất lượng tốt hơn so với PPS nóng, nhất là hàm lượng lactone và terpenoid còn lại trong SPS.
Khi nghiên cứu về QTS các vật liệu đặc biệt bằng bơm nhiệt, Phani và cộng sự
17
[100] đã thiết lập các phương trình cân bằng năng lượng, cân bằng ẩm để tiến hành nghiên cứu động học sấy. Phương trình cân bằng ẩm đã xây dựng thể hiện mối quan hệ giữa sự thay đổi độ chứa ẩm trung bình của VLS theo TGS ở dạng:
) M M ( M k
cb
trong đó k là hằng số sấy (s-1) phụ thuộc vào nhiệt độ TNS; M là độ chứa ẩm trung bình của VLS ở thời điểm , Mcb là độ ẩm cân bằng. Theo Trần Văn Phú [27], [28], phương trình này chưa phản ánh đầy đủ bản chất của quá trình truyền nhiệt truyền chất liên hợp trong kỹ thuật sấy.
Trong [86], Kohayakawa và cộng sự đã tiến hành nghiên cứu sấy xoài bằng hệ thống sấy lạnh bơm nhiệt trong đó tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của vận tốc TNS, chiều dày lát vật liệu đến hệ số khuếch tán. Phương trình toán học được sử dụng để xác định hệ số khuếch tán hiệu quả Deff là D M
t M
eff
. Kết quả nghiên cứu thu
được là Deff = f(a, VLS) với VLS là chiều dày VLS, a là tốc độ TNS.
Trong [101], Phoungchandang đã nghiên cứu mô phỏng QTS bằng bơm nhiệt SPS là tỏi và lá dâu tằm, kết quả thu được là sự thay đổi của độ chứa ẩm VLS theo nhiệt độ và thời gian. Alves-Filho và cộng sự [49] đã nghiên cứu QTS thức ăn cho vật nuôi bằng HTS bơm nhiệt kiểu tầng sôi. Công cụ toán học để nghiên cứu là mô hình độ chứa ẩm trung bình không thứ nguyên của VLS là hàm mũ của hằng số sấy và thời gian sấy MR = f(k, ). Khi nghiên cứu động học QTS sấy lạnh ở nhiệt độ thấp hơn 00C, Mukhatov và đồng sự [95] đã sử dụng mô hình toán học trên cơ sở sử dụng định luật Fick và không xét đến sự ảnh hưởng qua lại giữa dẫn ẩm và dẫn nhiệt trong lòng VLS. Việc tính toán thời gian sấy dựa trên mối quan hệ giữa độ chứa ẩm trung bình không thứ nguyên với hằng số sấy k và thời gian sấy trong các nghiên cứu kể trên và nhiều nghiên cứu khác có ưu điểm là dễ dàng, nhưng nhược điểm là phải thực nghiệm xác định hằng số sấy của từng vật liệu.
Trong báo cáo của mình, Sagar [104] đã khẳng định, cần tập trung vào nghiên cứu các mô hình toán học cũng như mô phỏng QTS, các cách thức sấy lai ghép ví dụ như bơm nhiệt đối lưu kết hợp vi sóng, sử dụng CO2 thay thế TNS là không khí, nghiên cứu cách thức rút ngắn thời gian sấy. Với sấy lạnh bằng bơm nhiệt, Sagar cũng khẳng định, về phương thức tiết kiệm năng lượng thì một cách thức nghiên cứu rất quan trọng là tiếp tục nghiên cứu mô hình toán học để giảm năng lượng tiêu thụ và sấy gián đoạn.
Bên cạnh đó, còn một số công trình nghiên cứu về tiết kiệm năng lượng theo
hướng sấy gián đoạn (xin tham khảo thêm mục 1.6). Khi nghiên cứu động học QTS gián đoạn, Chou và cộng sự [57] đã sử dụng mô hình truyền nhiệt truyền chất đồng thời trên cơ sở giả thiết tồn tại cả khuếch tán lỏng và hơi trong VLS với các hệ số thấm hơi và thấm lỏng bằng hằng số.
Mặc dù có nhiều công trình nghiên cứu về sấy lạnh bằng bơm nhiệt nhưng hầu hết những nghiên cứu này đều là những nghiên cứu mang tính chất thực nghiệm, ít có công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mô hình toán học QTS, động học QTS cũng như nghiên cứu tính toán thời gian sấy lạnh trên cơ sở xét đến ảnh hưởng qua lại của dòng ẩm và dòng nhiệt.
1.5.2. Các nghiên cứu về sấy lạnh bằng bơm nhiệt tại Việt Nam
Năm 1997, Nguyễn Đức Lợi và Phạm Văn Tùy [19] xây dựng HTS lạnh với SPS là kẹo Jelly tại Công ty bánh kẹo Hải Hà. Nhiệt độ không khí trong BS là 220C
÷ 270C, độ ẩm 35% 45%. Kết quả cho thấy chi phí về điện giảm đi khoảng 58%, tiêu hao năng lượng để tách một kg ẩm bay hơi giảm từ 11,49 kWh/kg ẩm xuống còn 4,67 kWh/kg ẩm so với phương pháp dùng máy hút ẩm hấp phụ, nhưng chất lượng sản phẩm vẫn được đảm bảo.
Phạm Văn Tùy [39] cũng đã nghiên cứu sấy các nguyên liệu dược phẩm dùng trong y học cổ truyền như nghệ, dịch gừng ép, dịch cúc hoa bằng PPS lạnh, kết quả cho thấy chất lượng sản phẩm tốt hơn so với PPS bằng không khí nóng. Sau đó, nhóm tác giả đã nghiên cứu thiết kế chế tạo, thử nghiệm máy hút ẩm và sấy lạnh đa năng BK-BSH 1.4 và tiếp tục cải tiến chế tạo thành công máy hút ẩm và sấy lạnh đa năng BK – BSH18A, BK – BSH18B với thiết bị xử lý không khí nhỏ gọn, có thể đặt ở ngoài nhà, trong nhà hay trong buồng sấy và có tốc độ không khí có thể thay đổi được để phù hợp với yêu cầu sấy các loại vật liệu cụ thể [8].
Phạm Văn Tuỳ và cộng sự [38] đã nghiên cứu sấy các loại rau quả như cà rốt, hành, củ cải... bằng bơm nhiệt sấy lạnh, kết quả cho thấy thời gian sấy lâu hơn so với PPS truyền thống nhưng chất lượng về cảm quan và khả năng bảo toàn về vitamin C cao hơn hẳn và tác giả cũng đề nghị chế độ sấy tối ưu đối với các loại rau quả ở nhiệt độ 300C, vận tốc gió 3,5 m/s, độ ẩm không khí từ 20% 40%.
Trong [34], Trần Đại Tiến đã nghiên cứu thực nghiệm HTS bơm nhiệt lai ghép với các phương pháp khác như hồng ngoại, bức xạ, v.v... để sấy nguyên liệu là mực tươi. Kết quả cho thấy cách tổ chức sấy lai ghép này cho kết quả khá tốt.
Năm 2011, Võ Mạnh Duy và Lê Chí Hiệp [7] đã tiến hành tính toán, thiết kế và chế tạo máy sấy bơm nhiệt kiểu thùng quay để nghiên cứu sấy cà rốt. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ TNS và tốc độ quay của thùng quay cũng đã được đưa vào nghiên cứu bằng thực nghiệm. Kết quả nghiên cứu cho thấy hệ thống đạt hiệu suất tách ẩm cao
19 nhất khi TNS có nhiệt độ 400C và tốc độ 2,5 m/s.
Năm 2009, Hoàng Ngọc Đồng [10] đã báo cáo về ảnh hưởng của cách bố trí dàn lạnh và tốc độ gió đến khả năng tách ẩm từ dàn lạnh trong HTS lạnh bằng bơm nhiệt. Đối tượng nghiên cứu là cà rốt, thời gian sấy được xác định bằng thực nghiệm. HTS mà tác giả đã chế tạo và nghiên cứu QTS là HTS gồm 2 dàn lạnh mắc song song có cùng một nhiệt độ sôi. Kết quả nghiên cứu cho thấy lượng nước ngưng thu được trên hai dàn lạnh lớn hơn nhiều so với trường hợp có một dàn lạnh.
Năm 2008, Hoàng Ngọc Đồng và Lê Minh Trí [11] đã tiến hành xác định bằng thực nghiệm thời gian sấy trên HTS bơm nhiệt. TNS ở đây không được hồi lưu.
Toàn bộ lượng nhiệt của dàn ngưng đã được sử dụng vào để đốt nóng TNS (là không khí được lấy trực tiếp từ ngoài trời vào HTS). Như vậy, có một lượng năng lượng lãng phí khi bơm nhiệt đã được sử dụng vào HTS nhưng không tận dụng năng lượng (gồm cả nhiệt ẩn và hiện) của dòng TNS sau khi ra khỏi BS tầng sôi.
Về khía cạnh tiết kiệm năng lượng, trong nghiên cứu của mình, Phạm Anh Tuấn [36] đã dựa trên đặc điểm nhiệt độ TNS ra khỏi BS thường cao hơn nhiệt độ môi trường để đề xuất và nghiên cứu giải pháp tiết kiệm năng lượng là hạ nhiệt độ TNS trước khi vào dàn lạnh bằng nước ở nhiệt độ môi trường.
Một số đề tài nghiên cứu khác tại Việt Nam đi vào hướng tối ưu chế độ sấy dựa trên một HTS sẵn có [32]; phân tích hiệu quả làm việc của hệ thống bơm nhiệt sấy lạnh hay đặc tính động học của một quá trình xảy ra trong hệ thống [8], [23].
Ngoài ra còn có nhiều công trình khác về sấy bơm nhiệt với các loại SPS khác nhau được giới thiệu trong các tài liệu [14], [35], ... Các nghiên cứu này gồm có cả lý thuyết và thực nghiệm nhằm đánh giá ảnh hưởng của các thông số TNS như tốc độ, nhiệt độ, độ ẩm, tỉ lệ bypass… đến khả năng tách ẩm, chất lượng sản phẩm, tiêu hao năng lượng… cũng như tìm ra chế độ sấy hợp lý cho từng loại sản phẩm.
Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về HTS sử dụng bơm nhiệt cho các nông sản thực phẩm ở Việt Nam, nhưng các nghiên cứu này chủ yếu mang tính chất nghiên cứu thực nghiệm, ít có đề tài nghiên cứu quá trình TNTC trong vật liệu sấy, động học sấy, thời gian sấy cũng như các biện pháp nâng cao hiệu quả năng lượng. Một số luận văn thạc sỹ chỉ mới đi theo hướng tối ưu hóa dựa trên các kết quả nghiên cứu thực nghiệm.