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 nhiên đã chứng minh: sấy bằng bức xạ cho chất lượng tốt hơn nhiều so với hai phương pháp kia về màu sắc, giữ lại được hàm lượng nucleotide cao, làm giảm được hoạt động không có lợi của acid phosphatase.
Pakkonen cùng các cộng sự (1999) [13], nghiên cứu ứng dụng của bức xạ hồng ngoại vào trong việc sấy thảo mộc đã cho thấy chất lượng của sản phẩm sấy được cải thiện hơn rất nhiều.
Dontigny cùng các cộng sự (1992) [13], đã chứng minh sấy bằng bức xạ hồng ngoại làm tăng tốc độ sấy trong quá trình sấy xi măng than chì.
Zbicinski cùng các cộng sự (1992) [13], nghiên cứu sự kết hợp giữa sấy bơm nhiệt và bức xạ hồng ngoại vào việc sấy các vật liệu nhạy cảm với nhiệt độ. Việc nghiên cứu đã chứng minh sự kết hợp giữa sấy bơm nhiệt và gián đoạn bức xạ hồng ngoại làm dịch chuyển nhanh ẩm bề mặt ở giai đoạn đầu của quá trình sấy, phương pháp sấy này giúp giảm thời gian sấy và làm giảm ít nhất sự biến đổi xấu đối với chất lượng sản phẩm. Kết quả nghiên cứu đã đưa ra mô hình sấy kết bơm nhiệt có sự hỗ trợ của bức xạ hồng ngoại.
Hình 1.5: Sơ đồ bố trí của máy sấy bơm nhiệt hồng ngoại
TIRAWANICHAKUL ở trường Đại học Songkhla Thái Lan [12], nghiên cứu sử dụng sấy bức xạ hồng kết hợp với sấy bằng không khí nóng, phương pháp tìm ra thông số tối ưu cho quá trình sấy trên đối tượng là tôm. Kết quả nghiên cứu cho ta được kết quả của thông số tối ưu cho quá trình sấy là: nhiệt độ 81oC, khoảng cách từ nguồn gốm tới khay nguyên liệu là 7.9 cm, vận tốc gió trong tủ là 1m/s ± 0.2m/s.
Ngoài ra Thái Lan và Nhật Bản là những nước phát triển về thiết bị sấy hồng ngoại và được vận dụng nhiều trong sấy thủy sản…
b) Các nghiên cứu ở trong nước
Việt nam hiện nay cũng có rất nhiều đề tài nghiên cứu ứng dụng của bức xạ hồng ngoại vào trong công nghệ sấy, đặc biệt nghiên cứu ứng dụng bức xạ hồng ngoại vào sấy khô nông sản, thủy sản.
Viện Ứng dụng công nghệ Tp Hồ Chí Minh [11], đã chế tạo thành công các nguồn phát hồng ngoại dạng hình tròn với các kích thước dài ngắn khác nhau, thuận lợi cho việc thiết kế chế tạo thiết bị sấy dân dụng.
Qua ứng dụng thử nghiệm trên các máy sấy, sử dụng phương pháp sấy bằng nguồn phát xạ hồng ngoại có thể tiết kiệm 30% năng lượng, thời gian sấy nhanh hơn các phương pháp sấy thông dụng khác.
Các sản phẩm sau khi sấy có chất lượng đồng đều, ít phế phẩm, màu sắc, hương vị hơn hẳn các phương pháp sấy thủ công khác.
Khay sấy sản phẩm V T L Đèn HN TBBH Q u t TBNT
Các nguồn bức xạ hồng ngoại do Viện nghiên cứu Ứng dụng chế tạo đã được ứng dụng trên các máy sấy của công ty Thiên Nông Tp Hồ Chí Minh, Viện công nghệ sau thu hoạch, Liên hiệp sản xuất hàng xuất khẩu Việt Nam – Ucraina.
Được biết trung tâm đã nghiên cứu các kiểu nguồn phát, dàn phát hồng ngoại không sử dụng năng lượng điện, giá thành chỉ bằng 1/3 so với giá nhập ngoại.
Nguyễn Thanh Thủy, Nguyễn Thị Hà [11], đã ứng dụng công nghệ sấy gốm bức xạ hồng ngoại giải tần số hẹp vừa bảo toàn đặc tính thực phẩm của nguyên liệu vừa có tính chất tiệt trùng đối với thành phẩm để sấy các nguyên liêu làm canh chua và đã tạo ra được một sản phẩm canh chua ăn liền có chất lượng: duy trì được màu sắc và hương vị tự nhiên, hàm lượng các vitamin của nguyên liệu, đảm bảo an toàn thực hiện. Sản phẩm có sử dung thịt cá tôm để chế biến viên gia vị canh chua cô đặc, có thể sử dụng thuận tiện, dài ngày.
Đỗ Thị Bích Thủy [8] “Nghiên cứu quá trình sấy khô một số nguyên liệu nông sản có độ ẩm cao bằng bức xạ hồng ngoại”. Kết quả nghiên cứu đã tìm ra được chế độ sấy thóc, lạc tối ưu bằng máy sấy băng chuyền dùng đèn hồng ngoại như sau:
Vận tốc băng tải: 7mm/s
Khoảng cách bức xạ là 45 cm. Quá trình ủ ẩm: 3 phút.
Lê Văn Hoàng [15], nghiên cứu kĩ thuật sấy bằng bức xạ hồng ngoại trong quá trình bảo quản lương thực nhằm hạn chế tối đa sự tổn thất về chất và lượng cuả thóc đã đưa ra kết luận: Sự tác động của trường nhiệt độ đều 49-500C của bức xạ hồng ngoại trong 15 phút không chỉ duy trì được độ ẩm cho phép của thóc bảo quản mà còn giữ được chất lượng của thóc giống (tiêu diệt côn trùng, tỉ lệ nẩy mầm của lúa và độ nứt của gạo giảm không đáng kể).
Trần Đại Tiến [9] khoa chế biến trường Đại Học Nha Trang nghiên cứu ảnh hưởng của một số chế độ sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh đến chất lượng mực ống khô lột da. Kết quả nghiên cứu đưa đến kết luận: Chất lượng mực ống khô được sấy khô bằng sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh tốt hơn so với phương pháp sấy bức xạ kết hợp với sấy đối lưu. Chế độ sấy bức xạ hồng ngoại
kết hợp với sấy lạnh thích hợp nhất: Nhiệt độ sấy 350C±10C, vận tốc gió 2m/s±1m/s, khoảng cách từ nguồn bức xạ tới nguyên liệu là 40 cm. Cùng nhiệt độ sấy với các phương pháp sấy khác nhau có thời gian sấy ngắn hơn chất lượng càng tốt.
Phạm Việt Đức và các cộng sự [10]- Viện công nghệ sau thu hoạch – Hà Nội đã nghiên cứu sấy chuối, xoài, thóc, thì là… bằng máy sấy gốm bức xạ hồng ngoại. đã đưa ra kết luận sấy bằng gốm bức xạ hồng ngoại giảm thời gian sấy 2÷3 lần so với các phương pháp sấy khác, chất lượng của sản phẩm tốt hơn nhiều.
Ngô Đăng Nghĩa [7] cùng các cộng sự đã nghiên cứu sấy mực ống lột da bằng thiết bị sấy gốm bức xạ hồng ngoại kết hợp không khí có nhiệt độ thấp cho kết quả khả quan: Thời gian sấy 10÷12 giờ, màu sắc trắng trong, khô đều, phẳng, hầu như không có nấm mốc, hàm lượng NH3sau khi sấy tăng lên không đáng kể so với trước khi sấy…
Qua kiểm tra chất lượng cảm quan và kiểm tra các thành phần hóa học ở các chế độ sấy khác nhau và đã đưa ra được chế độ sấy tối ưu nhất cho mực ống lột da bằng máy sấy gốm hồng ngọai kết hợp với sấy lạnh là: nhiệt độ không khí: 400C, tốc độ quạt gió: 1.2 m/s, khoảng cách từ nguồn bức xạ đến nguyên liệu: 15 cm.
Đào Trọng Hiếu [7] -Trường ĐH Thủy sản –Nha Trang nghiên cứu ứng dụng công nghệ gốm bức xạ hồng ngoại giải tần số hẹp chọn lọc kêt hợp với không khí có nhiệt độ thấp để sấy cá cơm săng. Kết quả nghiên cứu cho ra được chế độ tối ưu: Nhiệt độ không khí trong buống sấy 450C, vận tốc gió 1.2 m/s, khoảng cách từ nguồn bức xạ tới nguyên liệu là 7cm.
Các nghiên cứu trên đây chủ yếu là áp dụng cho các nông sản thực phẩm. Một số kết quả đưa ra về mực sấy mực, cá cơm săng trên máy sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh cho kết quả chất lượng tốt. Nhưng còn việc nghiên cứu ứng dụng của bức xạ hồng ngoại vào việc sấy khô tôm là chưa có đề tài nào thực hiện. Trong khi đó tôm khô là loại sản phẩm mới đang được ưa chuộng trên thị trương và là mặt hàng chủ lực trong xuất khẩu khô của Việt Nam. Hiện nay vấn đề sản xuất tôm khô chủ yếu sử dụng phương pháp truyền thống là phơi nắng, cho chất lượng không cao,
tổn thất nguyên liệu nhiều nên việc nghiên cứu công nghệ sấy mang tính mới, phù hợp với điều kiện nước ta hiện nay.
1.6. Tổng quan về phương pháp quy hoạch thực nghiệm và tối ưu hóa1.6.1. Xây dựng mô hình giải tích cho đối tượng nghiên cứu 1.6.1. Xây dựng mô hình giải tích cho đối tượng nghiên cứu
Từ các kết quả thực nghiệm dùng xác suất thống kê để thu được phương trình gần đúng là mô hình toán học của đối tượng. Phương pháp như vậy gọi là phương pháp quy hoạch thực nghiệm và phương trình giải tích thu được gọi là phương trình hồi quy.
1.6.1.1. Đặt bài toán
Giả sử cần nghiên cứu một địa lượng y trong hệ thống nào đó.Thông thường trong hệ thống một mặt y phụ thuộc vào các yếu tố độc lập x1, x2, … xkcó thể điều khiển được, mặt khác y còn bị ảnh hưởng của các tác động ngẫu nhiên thường xuyên và không điều khiển được ξ. Các biến x1, x2, … xkgọi là các biến vào hay các nhân tố, biến ngẫu nhiên ξ gọi là nhiễu.
Vấn đề là phải tìm ra mối quan hệ giữa y và (x1, x2,… xk). Thông thường có trước một số thông tin tiên nghiệm về hệ thống đang xét bởi vậy người ta thường giả thiết mối quan hệ giữa y và (x1, x2,…xk) có dạng:
y = f(x1, x2, … xk; θ0,θ1, θ2, …, θm) + ξ (1.6)
trong đó dạng hàm của f đã biết, nhưng còn m tham số θ0,θ1, θ2, …, θm chưa biết. Nếu giả thiết thêm rằng M ξ = 0, Dξ = η2nghĩa là:
ξ ~ N(0,σ2) và kí hiệu ỹ = My thì từ (3.9) suy ra:
ỹ = My = f(x1, x2,… xk; θ0,θ1, θ2, …, θm) (1.7) Dy = σ2
Hàm số ỹ được coi là hàm phản hồi của y. Phương trình được gọi là hàm hồi quy lý thuyết của y theo x1, x2,… xk.
Để tìm mối quan hệ thật giữa y và x1, x2,… xk người ta tiến hành N thí nghiệm và lập bảng:
Bảng 1.3 Số liệu thí nghiệm Ni x1 x2 … xk y 1 x11 x12 … x1k y1 2 x21 x22 … x2k y2 … … … … … … N xN1 xN2 … xNk yN
Điểm Xi= (xi1, xi2, …, x1k) thuộc Rk , (i = 1, 2, …, N) gọi là một điểm thí nghiệm, Rklà không gian nhân tố.
Đối với mỗi bài toán cụ thể các điểm thí nghiệm chỉ có thể chạy trên một miền xác định X thuộc Rk gọi là miền thí nghiệm. Bài toán đặt ra là: Trên cơ sở các số liệu thu được hãy tìm hàm số:
ŷ = f(x1, x2, … xk) (1.8) biểu diễn gần đúng nhất hàm ỹ và tìm một ước lượng tốt nhất cho σ2.
Hàm số ŷ là một mô hình thống kê của hệ thống thực ta đang nghiên cứu. Phương trình 3.12 là phương trình hồi quy thực nghiệm.
Để giải quyết vấn để này tôi lựa chọn phương pháp quy hoạch trực giao.