1.3.1. Khái niệm về bức xạ hồng ngoại
Khái niệm
Năm 1980, khi nghiên cứu phổ mặt trời, lần đầu tiên Uliam Hersel [12] đã phát hiện ra bức xạ nhiệt ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy. Khi di chuyển nhiệt kế trong trường phổ mặt trời, thấy rằng trong vùng không nhìn thấy có nhiệt độ cao nhất, nó được phân bố một cách tự nhiên sau màu đỏ.
.
Hình 1.2: Đường cong phân bố nhiệt độ trong thí nghiệm của Hersel
Trên hình 1.3.1 đường cong R thể hiện vùng của phổ nhìn thấy được, đường cong S thể hiện vùng không thấy được. Chúng đạt nhiệt độ cực đại khi kết thúc phổ nhìn thấy được, sau màu đỏ. Gọi các tia này là tia nhiệt đặc biệt, nó khác về chất lượng so với các tia sáng thấy được. Sau đó, Ông chứng minh được bức xạ đó nằm trong dải hồng ngoại và tuân theo những quy luật như bức xạ nhìn thấy.
Bức xạ hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng nhìn thấy được nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba. Chữ "hồng ngoại" có nghĩa là "dưới mức đỏ", màu đỏ là màu sắc có bước sóng dài nhất trong ánh sáng thường. Bức xạ được hiểu là quá trình sinh hay chuyển năng lượng bằng các sóng điện từ. Cùng với sự sáng lập bức xạ hồng ngoại, các nhà bác học phát triển sử dụng các tia hồng ngoại trong kĩ thuật, gọi là kĩ thuật hồng ngoại
Tia hồng ngoại có thể được phân chia thành ba vùng theo bước sóng, trong khoảng từ 0.7µm ÷ 1 mm.
Đặc điểm của bức xạ hồng ngoại
Tia hồng ngoại có bản chất là sóng điện từ, nó truyền đi với vận tốc ánh sáng 2.99. 108 m/s, nó không đốt nóng không khí mà nó đi qua, một phần không đáng kể được hấp thụ bởi CO2, hơi nước và một số hạt khác trong không khí. Mà nó chỉ bị hấp thụ, phản xạ, hoặc truyền qua bởi vật thể mà nó tác động vào.
Hình 1.3: Sơ đồ chuyển năng lượng bức xạ hồng ngoại vào vật thể
Bất kể một đối tượng nào có nhiệt độ lớn hơn 00K (-2730C) đều phát tia hồng ngoại.
Tia hồng ngoại có tác dụng nhiệt. Khi tia hồng ngoại chiếu đến một đối tượng nào đó, đối tượng sẽ hấp thụ một phần năng lượng bức xạ làm cho các điện tử kích thích và dao động, sự dao động này tạo ra nhiệt.
Cường độ bức xạ hồng ngoại giảm dần theo khoảng cách từ nguồn phát. Nhiệt độ cũng như các thuộc tính vật lý của nó sẽ quyết định hiệu quả cũng như bước sóng phát ra.
Có thể tác dụng lên một số kính ảnh đặc biệt. Tia hồng ngoại truyền đi theo đường thẳng từ nguồn phát xạ ra nó, nó có thể được định hướng vào những đối tượng cụ thể thông qua việc sử dụng các gương phản chiếu
Tia hồng ngoại có thể được so sánh với sóng radio, tia sáng nhìn thấy, tia tử ngoại, tia cực tím, và tia X. Chúng đều có bản chất là sóng điện từ và truyền đi trong không gian với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng (2.99. 108m/s) và chỉ khác nhau ở bước sóng phát ra. Và đều tuân theo một số định luật về ánh sáng như: Định luật Plank, định luật Stefan-bolzamann, định luật Wien.
1.3.2 Một số ứng dụng của bức xạ hồng ngoại
Do tính ưu việt nên bức xạ hồng ngoại ngày càng được ứng dụng rộng rải trong các ngành khoa học và trong đời sống xã hội. ngày nay khi mà khoa học ngày càng phát triển thì người ta càng tìm được ra được nhiều ứng dụng mới của bức xạ hồng ngoại. Mỗi một lĩnh vực ứng dụng sẽ sử dụng các bước sóng và nguồn phát bức xạ hợp lý. Sau đây là một số ứng dụng của bức xạ hồng ngoại:
Trong ngành nông nghiệp bức xạ hồng ngoại được ứng dụng sấy các loại hạt, ra quả, hạt giống. trong lĩnh vực chế biến thủy sản ứng dụng để sấy cá, mực, tôm và các mặt hàng khô khác. Trong công nghiệp thực phẩm và đồ uống thì bức xạ hồng ngoại được ứng dụng rất rộng ví dụ: điều khiển các quá trình trong công nghiệp sản xuất mía đường, đánh giá chất lượng thịt, xác định sự oxy hóa dầu ăn, xác định hàm lượng casein và triglycerid….
Trong y học sử dụng công nghệ này cho phép sấy các đối tượng sinh học quan trọng như enzyme, mô động thực vật …, trong đó tính chất của chúng được bảo toàn đầy đủ, các sản phẩm đạt chất lượng vệ sinh cao.
Ngoài ra bức xạ hồng ngoại còn được ứng dụng trong các lĩnh vực như công nghệ sinh học, khoa học về trái đất, pháp luật, an ninh và 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 tượng nào đó thì nó có thể hấp
thụ hay phản xạ với một bước sóng khác, khi đối tượng hấp thụ bức xạ thì nó sẽ bị nóng lên.
Nhiệt bức xạ hồng ngoại thay đổi theo hiệu quả phát xạ của nguồn, bước sóng và tính phản xạ của đối tượng. Nhờ vào đặc tính này mà người 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 thì hiểu quả này là tỷ lệ giữa năng lượng phát xạ và năng lượng hấp phụ, ngoài ra còn có một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến hiệu suất phát xạ. Một yếu tố nữa là giá trị phát xạ của nguồn dựa vào mức độ đen của vật. Mức độ đen của vật thể là tỉ số giữa khả năng bức xạ toàn phần của vật thể đó E, W/m2và khả năng bức xạ toàn phần của vật thể đen tuyệt đối E0cũng ở nhiệt độ đó. 0 E E 1.5]
“vật đen tuyệt đối” có mức xạ là 1. Điều này giúp ta chú ý trong khi chiếu phải hạn chế được tối đa năng lượng phản xạ và năng lượng xuyên qua, biến các loại năng lượng này thành năng lượng hấp thụ để tăng hiệu suất gia nhiệt. Để thực hiện được điều này cần phải chọn vật liệu bao phủ nguồn bức xạ phù hợp.
1.3.4. Cơ chế sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại
Vật liệu sấy trong công nghiệp thực phẩm thường được cấu tạo chủ yếu bởi chất hữu cơ và nước, phổ hấp thụ năng lượng bức xạ của nước và các chất hữu cơ là khác nhau.
Ở mỗi bước sóng chất hữu cơ trở thành vật trong suốt – không hấp thụ năng lượng bức xạ hồng ngoại mà nước sẽ trở thành vật đen hấp thụ năng lượng bức xạ tối đa. Do đó khi chiếu tia hồng ngoại có bước sóng nằm trong khoảng 2.5 – 3.5µm tương ứng với bước sóng mà nước có thể hấp thụ tối đa năng lượng bức xạ. Kết quả là các phân tử nước sẽ dao động mạnh, tạo thành ma sát và sinh nhiệt lớn.
Mặt khác dưới tác động của năng lượng bức xạ, phân tử nước dễ dàng bị phân li thành các ion H+ và OH-, do đó 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 (từ trong vật liệu sấy đi ra bên ngoài bề mặt) làm tăng quá trình khuếch
tán nội . điều này trái ngược hẳn với cách gia nhiệt thông thường 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.
Người ta chứng minh răng dưới tác dụng của bức xạ hồng ngoại có tần số tương ứn với tần số dao động riêng của liên kết hóa học các nhóm chức có khả năng phản ứng cao như: -OH, -COOH… Sẽ tác dụng trực tiếp đến liên kết hóa học tạo ra tình huống cộng hưởng làm đứt các liên kết hóa học. Kết quả là luôn làm tăng nhanh vận tốc phản ứng và quá trình sấy lớp sơn phủ bóng tăng.
1.3.5. Ưu và nhược điểm của công nghệ sấy bức xạ hồng ngoại
Ưu điểm của sấy khô 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 được rất nhiều thời gian, do đó phần nào đảm bảo được phẩm chất của sản phẩm, sử dụng thao tác thuận tiện, tính giữ nhiệt của nguyên liệu sau khi sấy rất nhỏ nhất là sấy bằng bóng đèn, tức có thể ngưng quá trình sấy một cách dễ dàng.
Sản phẩm sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại đảm bảo được phẩm chất của sản phẩm không bị tổn thất về chất lượng, mùi vị, hàm lượng các vitamin được bảo toàn đồng thời sản phẩm lại được đảm bảo về mặt vệ sinh thực phẩm tốt.
Sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại phần lớn năng lượng bức xạ chuyển biến thành nhiệt năng cần thiết làm cho nước bốc hơi. Vì vậy hiệu suất sử dụng nhiệt cao giảm sự tổn hao năng lượng.
Gradien nhiệt độ và độ ẩm ở lớp sát bề mặt vật và cùng chiều, do đó tăng cường tốc độ khuếch tán nội dẫn đến tốc độ sấy tăng. Cường độ bay hơi ẩm có thể lớn hơn có thể vài lần so với đối lưu và tiếp xúc.Tránh được quá nhiệt cục bộ và làm chai, nứt nẻ bề mặt.
Chi phí lắp đặt, vận hành thấp, chiếm ít diện tích mặt bằng và dễ dàng điều khiển.
Đặc biệt bức xạ hồng ngoại có khả năng tiêu diệt côn trùng, vi sinh vật có hại ngay ở nhiệt độ thấp.
Sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại hoàn toàn tiết kiệm, không gây nguy hiểm và không sử dụng hóa chất, chất độc, thân thiện con người và môi trường.
Nhược điểm của sấy bức xạ hồng ngoại là khả năng xuyên thấu kém 7- 30 mm nên không thích hợp sấy các sản phẩm sấy các sản phẩm sấy có chiều dày lớn hơn. Vì đối với sấy nguyên liệu dày hơn thì tốc độ khử nước chậm và có khi bề mặt ngoài bị làm khô quá độ mà sinh ra nứt nẻ. Để khắc phục điều đó thì ta có thể dùng phương pháp sấy gián đoạn đối với những nguyên liệu có kích thước dày hơn.
1.4. TỔNG QUAN VỀ SẤY LẠNH1.4.1. Khái niệm 1.4.1. Khái niệm
Sấy lạnh là phương pháp sấy đối lưu, tách ẩm vật liệu sấy bằng không khí lạnh có độ ẩm thấp. Ẩm trong vật liệu sấy dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào bay hơi vào trong môi trường được luân chuyển ra ngoài. Trong phương pháp này người ta tạo ra sự chênh lệch áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt vật liệu sấy và áp suất riêng phần hơi nước trong không khí chỉ bằng cách giảm áp suất riêng phần hơi nước trong không khí nhờ giảm lượng chứa ẩm.
Phương pháp sấy lạnh được ứng dụng rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp thực phẩm cũng như các ngành công nghiệp khác, nguyên nhân là do nó có rất nhiều ưu điểm như thời gian sấy ngắn, chất lượng sản phẩm hoàn thiện do sấy ở nhiệt độ thấp, hiệu quả năng lượng tốt hơn.
1 –Nguyên lý làm việc và đặc điểm
Sơ đồ nguyên lý
1. Buồng sấy có bọc cách nhiệt 2. Bộ phận duy trì độ ẩm
3. Cửa thải 4. Dàn ngưng ngoài
5. Cụm bơm nhiệt khử ẩm 6. Đường nước ngưng
7. Giá sấy 8. Quạt ly tâm
9. Hướng phân bố gió.
* Nguyên lý làm việc
Tác nhân sấy là không khí ẩm được làm lạnh xuống dưới nhiệt độ điểm đọng sương sương để ngưng tụ một phần ẩm. Không khí ẩm sau khi được làm lạnh có độ ẩm thấp và nhiệt độ rất thấp. Do đó ta phải gia nhiệt cho không khí bằng điện trở hay dàn nóng của máy lạnh đến nhiệt độ mà công nghệ yêu cầu rồi được quạt ly tâm hút và thổi đi qua vật liệu sấy. Khi đó do áp suất riêng phần hơi nước trong không khí bé hơn áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt vật liệu sấy mà ẩm từ dạng lỏng trên bề mặt vật liệu sấy bay hơi đi vào môi trường. Không khí sau khi nhận ẩm được quạt li tâm hút và đẩy ra ngoài. Một số thiết bị tuần hoàn kín.
1.5. SẤY BƠM NHIỆT KẾT HỢP BỨC XẠ HỒNG NGOẠI1.5.1. Mục đích 1.5.1. Mục đích
Sấy lạnh không khí được tách ẩm và nâng nhiệt làm cho áp suất riêng phần hơi nước trong không khí nhỏ, chênh lệch gradien độ ẩm lớn nhờ đó thúc đẩy quá trình khuếch tán ngoại. Sấy bằng không khí lạnh giữ được màu sắc, mùi vị, chất lượng sản phẩm.
Sấy bằng bức xạ hồng ngoại do nhiệt bức xạ hồng ngoại cao, xuyên thấu vào bên trong vật liệu sấy làm nóng từ trong nóng ra làm cho gradien nhiệt độ tăng, chiều dòng ẩm cùng chiều với dòng ẩm thúc đẩy quá trình khuếch tán nội đẩy nhanh quá trình sấy.
Qua ưu điểm của hai phương pháp sấy bức xạ hồng ngoại và sấy lạnh thì nhằm kết hợp ưu điểm của chúng để tăng tốc độ sấy, giảm thời gian quá trình sấy điều này
có ý nghĩa rất lớn khi sấy các sản phẩm có nguồn gốc thủy sản, giảm được nhiệt độ sản phẩm và thời gian ngắn do đó tránh được sự biến tính của sản phẩm và giữ được màu sắc tự nhiên, mùi vị, khả năng phục hồi trở lại tốt. Nâng cao chất lượng sản phẩm.
1.5.2. Các nghiên cứu trong và ngoài nướca) Nghiên cứu ngoài nước. a) Nghiên cứu ngoài nước.
Trên thế giới việc nghiên cứu ứng dụng của bức xạ hồng ngoại vào các ngành công nghiệp phát triển. Trong đó bức xạ hồng ngoại được nghiên cứ, nghành chế biến thủy sản.
Sau đây là một số nghiên cứu ứng dụng bức xạ hồng ngoại trong thực phẩm: Năm 1991việc chế tạo và ứng dụng thành công gốm hồng ngoại của hãng Feruza Nga [15], để sáng chế ra các thiết bị sấy các loại thực phẩm khác nhau như các loại rau, quả, ngủ cốc, nấm, trứng, gia vị, thảo mộc, hải sản và nhiều loại thực phẩm khác. Việc sất sử dụng các thiết bị sấy bức xạ hồng ngoại đã mang lại các sản phẩm có chất lượng cao. Phương pháp sấy này giúp được trạng thái tự nhiên,các loại vitamin và các hoạt chất sinh học có trong sản phẩm tươi… Ngoài việc giúp sấy các loại thực phẩm đến độ ẩm để bảo quản thì nó còn giúp giảm sự phát triển của nấm mốc.
Ứng dụng bức xạ hồng ngoại vào việc sấy thóc cho chất lượng cao và ngăn chặn sự tàn phá của côn trùng trong quá trình bảo quản. Đó là sự cải tiến công nghệ bức xạ cũ của tập đoàn Catalytic Dry Technologies của Mỹ [15].Việc cải tiến này là sử dụng nguồn bức xạ hồng ngoại phát ra từ việc đốt cháy gas hoặc propane với xúc tác là platine. Khi gas kết hợp với không khí đi ngang qua vật xúc tác platine tạo ra phản ứng oxy hóa khử sinh ra một năng lượng bức xạ hồng ngoại có bước song từ 3 ÷ 7 µm, một ít CO2và hơi nước.
Một trong những ứng dụng quan trọng của bức xạ hồng ngoại nữa là việc sấy khô các sản phẩm thủy sản. Nhờ ứng dụng sấy khô các sản phẩm thủy sản mà làm tăng năng suất và hiệu quả chê biến các sản phẩm khô so với các phương pháp truyền thống trước đây.
Yamada và Wada [13], nghiên cứu năm khi sấy cá bằng gốm hồng ngoại với khoảng cách từ nguồn bức xạ đến cá là 20 cm, nhiệt độ 35oC cho sản phẩm với chất lượng cao, tổn thất nhiệt ít.
Navarii [13], nghiên cứu vào năm 1992 về ưu điểm của việc sấy bức xạ hồng ngoại đã đưa ra kết quả: sấy bức xạ hồng ngoại giúp giảm thời gian sấy nhanh nhờ việc tăng nhanh nhiệt cho nguyên liệu, dễ dàng kiểm soát được nhiệt của sản phẩm, cũng như nguồn bức xạ, giá thành rẽ. Và mang lại hiệu quả cao hơn nếu kết hợp với phương pháp sấy bơm nhiệt.
Kubota cùng các cộng sự Yamada và Wada [13], nghiên cứu trong việc so sánh hiệu quả của sấy bức xạ hồng ngoại so với sấy đối lưu bằng không khí nóng, phơi tự