1.3.5.1. Khái niệm bức xạ hồng ngoại
Tia hồng ngoại là loại ánh sáng đỏ không trông thấy, bức sóng 0,76 ÷ 1000µm, có bản chất là sóng điện từ. Tia hồng ngoại truyền đi với vận tốc ánh sáng, 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 ở trong không khí. Nhưng nó bị hấp thụ,phản xạ, hoặc truyền qua bởi vật thể mà nó tác động vào.
Tia hồng ngoại truyền theo đường thẳng từ nguồn phát ra nó, nó có thể định hướng vào những đối tượng cụ thể thông qua việc sử dụng các gương phản chiếu. Cường độ bức xạ hồng ngoại giảm dần theo khoảng cách từ nguồn phát đến vật được phát. Nhiệt độ cũng như các thuộc tính vật lý của nó sẽ quyết định hiệu quả cũng như bước sóng phát ra.
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 3.108 m/s, chỉ khác ở bước sóng phát ra.
Khi năng lương hồng ngoại tác động đến một đối tượng nào đó thì nó sẽ làm cho các điện tử bị kích thích và dao động, sự dao động này tạo ra nhiệt, và có thể làm nước bốc hơi nhanh. Tia bức xạ có thể xuyên qua sương mù, lớp sơn, lớp dầu, cơ thịt, xelluloza, mở, da...do đó nó được ứng dụng rất rộng rãi và được nghiên cứu đưa vào công nghệ sấy mới là sấy bằng bức xạ hồng ngoại.
1.3.5.2. Khái niệm sấy bức xạ hồng ngoại:
Sấy bức xạ hồng ngoại là phương pháp sấy vật liệu ẩm bằng nguồn nhiệt hồng ngoại. Năng lượng các tia hồng ngoại xuyên vào và hấp thụ trong thể tích vật liệu làm thay đổi trường nhiệt độ.
Tia hồng ngoại có bước sóng 0.76 ÷ 340µm phát tia bức xạ mà vật liệu ẩm có khả năng hấp thụ nhiều, nhưng việc chọn nguồn bức xạ để sấy cần liên hệ đến
đặc tính phổ quang học của vật liệu ẩm và các yêu cầu công nghệ xử lý vật liệu. Khi vật liệu quá ẩm thì khả năng phản xạ của các tia có thể mạnh hơn khả
năng hấp thụ thì phải thay đổi khoảng bước sóng cho thích hợp. Nhiệt độ của vật phát xạ có thể tính theo công thức:
λmax =
T
2886
Dựa vào λmax có thể tính được khoảng bước sóng cần thiết dùng để sấy: Vật phát xạ là thạch anh:λ1 =0,5 λmax; λ2 =4,3 λmax
Vật phát xạ là dây wonfram: λ1 =0,52 λmax; λ2 =4,27 ÷6,2.10-4T
Nếu sử dụng đèn hồng ngoại có công suất 250W thì thấy nhiệt độ sát bóng có thể đạt 163 ÷ 1650C, khi đó : λmax = 6,6 273 164 2886 µm
Bước sóng mà đèn hồng ngoại phát ra:
λ1 =0,5 λmax= 0,52 * 6,6 =3,43µm λ2 = 4,27 – 6,2.10-4*(164+273) = 4µm
Qua thực nghiệm cho thấy các tia hồng ngoại có bước sóng λ = 3 ÷ 12µm thì cho khả năng hấp thụ của vật liệu ẩm là lớn nhất.
1.3.5.3. Cơ chế truyền nhiệt trong 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 lại với một bức sóng khác, khi đối tượng hấp thụ bức xạ thì nó sẽ bị nóng lên.
Nhiệt bức xạ hồng ngoại theo dõi thay đổi theo hiệu quả phát bức 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 hiệu quả này là tỷ lệ giữa năng lượng phát xạ và năng lượng hấp thụ, 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 “ vật đen tuyệt đối” có mức phát xạ là 1.0, nếu vật phát xạ là gốm thì có thể đạt trên 0.9
Trong phổ điện từ vùng hồng ngoại được chia thành 3 khoảng bước sóng khác nhau là: sóng ngắn, sóng trung và sóng dài.
Sóng ngắn ( gần ) từ 0.72 -2 µm tương ứng với nhiệt độ 7000 -21500F. Sóng trung ( trung bình) từ 2 -4µm tương ứng với nhiệt độ 2150- 8450F. Sóng dài (xa) từ 4 -1000 µm tương ứng với nhiệt độ 845-< 320F.
Khoảng bước sóng hữu ích cho những ứng dụng của nhiệt bức xạ là từ 1.17- 5.4 µm tương ứng với nhiệt độ 4000- 5000F. Ứng với khoảng bước sóng này thì đa số các vật liệu sẽ bị đốt nóng và khô đi vì sự hấp thụ đạt đến cực đại.
Bước sóng tỷ lệ nghịch với nhiệt độ tức là bước sóng càng dài thì nhiệt độ càng thấp.
1.3.5.4. Cơ chế sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại.
Vật liệu sấy khô trong công nghiệp thực phẩm thường được cấu tạo chủ yếu bởi các 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 nhất định, chất hữu cơ sẽ 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 hồng ngoại tối đa. Do đó khi chiếu hồng ngoại có bước sóng năm trong khoảng 2,5- 3,5 µm tương ứng với bước sóng mà nước có thể hấp thụ tối đa năng lượng bức xạ. Kết quả là các phân từ nước sẽ dao động mạnh tạo ma sát và sinh nhiệt rất lớn.
Mặt khác, dưới tác động của năng lượng bức xạ phân tử nước dễ dàng bị phân ly thành các ion H+ và OH- nên làm cho ẩm trong vật liệu sấy thoát ra rất nhanh. Lúc này, chiều chuyển động của dòng ẩm trùng với chiều chuyển động của dòng nhiệt ( từ trong vật liệu sấy đi ra ngoài bề mặt ) làm tăng quá trình khuếch tán nội, điều này trái ngược hẳn với các phương pháp gia nhiệt thông
thường là dòng nhiệt di chuyển từ bề mặt vật liệu vào trong tâm vật liệu, còn ẩm thì di chuyển từ trong vật liệu ra ngoài bề mặt.
Người ta chứng minh được rằng, dưới tác dụng của bức xạ hồng ngoại có tần số tương ứng 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 tăng nhanh vận tốc phản ứng và quá trình sấy lớp sơn phủ bóng tăng.
Tính ưu việt của công nghệ sấy bức xạ hồng ngoại.
Công nghệ sấy bức xạ hồng ngoại là công nghệ mới và có những ưu điểm sau:
Sản phẩm thu được trong quá trình sấy khô bằng bức xạ hồng ngoại không bị tổn thất về chất lượng, mùi vị, hàm lượng các vitamin được bảo toàn đồng thời sản phẩm lại được bảo đảm về mặt vệ sinh thực phẩm tốt.
Màu sắc, mùi vị, các vitamin được đảm bảo không bị thất thoát trong quá trình bảo quản sản phẩm.
Công nghệ sấy bức xạ gốm hồng ngoại cho phép tiết kiệm cả thời gian lẫn năng lượng. Phương pháp này hoàn toàn không gây nguy hiểm và sử dụng hóa chất, chất độc, quán tính diệt thấp.
Công nghệ sấy bức xạ gốm hồng ngoại có ý nghĩa kinh tế xã hội to lớn và tính thiết thực cao, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, sấy các loại hạt, rau quả, hạt giống để bảo quản và gieo trồng. Nhất là, trong lĩnh vực chế biến thủy sản công nghệ sấy này được ứng dụng để sấy cá, mực, tôm, các sản phẩm thủy sản có giá trị cao khác. Trong y học sử dụng công nghệ này sấy các đối tượng sinh học quan trọng như enzym, mô động thực vật, máu, protein đảm bảo được tính chất, sản phẩm đạt chất lượng vệ sinh cao.
Gradien nhiệt độ và độ ẩm ở lớp sát bề mặt vật là cùng chiều, do đó tăng cường tốc độ khuếch tán nội dẫn tới tốc độ sấy tăng, tránh được quá nhiệt cục bộ và làm chai bề mặt sản phẩm trong quá trình sấy.
Bức xạ hồng ngoại là một phương pháp gia nhiệt sạch sẽ, an toàn, vô hại đối với người và môi trường.
Dễ dàng điều khiển theo khu vực hiệu suất sử dụng nhiệt cao.
Chi phí vận hành lắp đặt thấp, không tốn diện tích mặt bằng.
Đặc biệt bức xạ hồng ngoại có khả năng tiêu diệt côn trùng, vi sinh vật có hại ngay cả ở nhiệt độ thấp.
Nhược điểm.
Tuy nhiên nhiệt bức xạ hồng ngoại có nhược điểm là khả năng xuyên thấu kém 7-30 mm nên chỉ thích hợp sấy các sản phẩm có kích thước nhỏ, mỏng và ở dạng dời, không thích hợp sấy các sản phẩm có chiều dầy lớn hơn 50mm.
Sản phẩm sấy dễ bị nứt và cong vênh, vì vậy các vật liệu như men sứ không thích hợp với kiểu sấy này.
Cơ chế sấy bức xạ hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh để sấy cá cơm săn.
Cơ sở khoa học của sấy bức xạ bằng đèn hồng ngoại kết hợp với sấy lạnh
Sấy bức xạ hồng ngoại
Khái niệm về bức xạ hồng ngoại
Tia hồng ngoại là những bức xạ không nhìn thấy được, có bước sóng lớn hơn bước sóng của ánh sáng đỏ (0,75m).
Tia hồng ngoại có bản chất là sóng điện từ. Tia hồng ngoại do các vật nung nóng phát ra.
Trong ánh sáng măt trời, có khoảng 50% năng lượng của chùm sáng thuộc về tia hồng ngoại.
Tia hồng ngoại là tia nhiệt có bước sóng từ 0,76 ÷ 450 m.
Tia hồng ngoại là sóng nhiệt bức xạ, khi nguyên liệu bị chiếu thì quang tốc năng lượng bức xạ của tia hồng ngoại sẽ chuyển thành nhiệt năng rất nhanh chóng và làm cho nước bốc hơi nhanh.
Tia bức xạ có thể xuyên qua sương mù, lớp sơn, lớp dầu, thớ thịt, xenlluloza...
Cơ chế sấy bằng bức xạ hồng ngoại Tia nhiệt Rx Dx Trong đó: Rx: tia khả năng phản xạ Ax: tia hấp thụ
Dx: tia xuyên qua.
Khi các vật liệu bị chiếu xạ có sự tăng nhiệt độ là kết quả của sự hấp thụ bức xạ của vật chất và sự cải biến năng lượng thành tia dưới dạng lượng tử. Khi dó năng lượng tia được phân tử vật chất hấp thụ sẽ chuyển hoá đồng thời thành năng lượng một số dạng chuyển động của vật chất. Nhưng chủ yếu là chuyển từ quang năng thành nhiệt năng.
Trong vật thể tương đối đồng nhất, có chiều dày thích hợp được chiếu xạ, nếu vật liệu có tính hấp thụ bức xạ đèn hồng ngoại tốt thì bên trong vật liệu có thể tạo ra nhiệt độ tương đối cao so với bề mặt điều đó dẫn đến xuất hiện gradien nhiệt độ lớn. Các gradien nhiệt độ này gây ra quá trình chuyển khối trong các vật thể xuất hiện sự khuếch tán làm tăng nhanh quá trình loại ẩm ra khỏi vật liệu. Phương pháp sấy vật liệu ẩm dựa trên việc nguyên cứu động lực học, quá trình vận chuyển và loại ẩm, việc xác định cuờng độ bức xạ cần thiết để tạo ra các điều kiện tối ưu cho quá trình sấy khi thấy rõ bản chất và đặt tính phổ của vật liệu, vận tốc sấy cho trước, sự phân bố của các hồng ngoại.
Cơ chế sấy bằng bức xạ hồng ngoại trước đây người ta cho rằng đó là quá trình truyền nhiệt thuần túy xảy ra mà không có sự biến đổi gì về phuơng diện lý hoá tượng như quá trình chuyển khối và truyền nhiệt của ẩm khi sấy các vật liệu ẩm. Nhưng sau này nhiều công trình nguyên cứu, người ta chứng minh được rằng, ngoài các quá trình lý hoá thuần túy cải biến năng lượng tia thành nhiệt
năng ra có thể phát sinh các phản ứng hoá học bên trong lớp vật liệu đối với trường hợp sấy khô khô các lớp sơn phủ bóng bề mặt vật liệu .
Như vậy nguyên liệu có khả năng hấp thụ lớn thì sấy bức xạ càng thích hợp. Các nguyên liệu có hệ số xuyên qua bé dẫn đến làm quăng bề mặt và làm quá nhiệt bề mặt. Để tránh hiện tượng trên thì nguyên liệu sấy phải có độ dày thích hợp.
Qua thực nghiệm cho thấy đối với một số thực phẩm và một số vật liệu khác, thì khả năng hấp thụ lớn nhất lớn nhất ở bước sóng tia hồng ngoại là:
= 0,77 ÷ 340m
Cơ chế truyền nhiệt và chuyển khối trong sấy bức xạ
Nhiệt lượng cung cấp cho vật sấy nóng lên và làm ẩm bốc hơi được lấy từ năng luợng của các tia bức xạ .Vì vậy cường độ và đặc tính của quá trình truyền nhiệt và chuyển khối trong sấy bức xạ, được xác định bởi quang phổ bức xạ của vật phát ra bức xạ và khả năng hấp thụ năng lượng bức xạ của vật liệu sấy. Trong sấy bức xạ người ta, dùng vật phát ra năng lượng bức xạ liên tục và cường độ cao thuộc vùng quang phổ hồng ngoại với bước sóng = 0,76 ÷ 450m. Bước sóng lớn nhất là max và cường độ quang phổ bức xạE phụ thuộc vào nhiệt độ của vật phát năng lượng bức xạ.
Theo các định luật của Planck và Vin có quan hệ như sau: Trong đó: 1: độ đen C1 = 3,74.10-16 (W.m2) C1, C2: các hằng số Planck C2 = 1,44.10-2( m.oK) max
: Bước sóng ứng với cường độ bức xạ cao nhất
C1 5 E = e T C 2 - 1
Cường độ bức xạ được xác định theo định luật sau: E = 0 E d= .Co ( 100 1 )4 Trong đó: : độ đen
Co: hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối Co= 5,6687 (W.m-2.oK-4)
Ưu nhược điểm của sấy bức xạ hồng ngoại.
Ưu điểm:
Rút ngắn được thời gian sấy, so với sấy bằng hơi nóng. Do đó phần nào đảm bảo được chất lượng sản phẩm, tao tác thuận tiện, dừng quá trình sấy một cách dễ dàng.
Sấy khô bằng tia hồng ngoại phần lớn năng lượng bức xạ chuyển thành nhiệt năng cần thiết làm cho bốc hơi nước, cường độ nhiệt lưu của nhiệt năng đó lớn hơn đối lưu tới 30 lần.
Gradien nhiệt độ và độ ẩm ở lớp sát bề mặt vật là cùng chiều, do đó tăng tốc độ khuếch tán nội dẫn tới tốc độ sấy tăng.
Bức xạ hồng ngoại là phương pháp gia nhiệt sạch, an toàn, vô hại đối với người và môi trường.
Dễ dàng điều khiển theo khu vực, hiệu suất sử dụng cao, chi phí vận hành lắp đặt thấp, không tốn diện tích mặt bằng.
Đối với bức xạ hồng ngoại là có khả năng tiệu diệt côn trùng, vi sinh vật có hại ngay ở nhiệt độ thấp…
Nhược điểm
Sản phẩm dễ nứt và cong vênh..Vì vậy các vật liệu như men, sứ không thích hợp sấy kiểu này.
Phương pháp sấy bức xạ hồng ngoại chỉ thích hợp với các vật liệu mỏng . Vì vậy khi dùng phương pháp này sấy khô nguyên liệu loại tương đối dày và ẩm ước thì tốc độ khử nước sẽ chậm và có khi bề ngoài bị làm khô dẫn đến nứt nẻ.
Dùng bóng đèn hồng ngoại để sấy sản phẩm
Bóng đèn phát ra tia hồng ngoại thường thấy là loại có công suất 220V - 250W và 220V - 500W. Cấu tạo dây dẫn điện và dây tóc bóng đèn, ở phía bên trong có một lớp thuỷ ngân để tập trung tia hồng ngoại và tia sáng, nâng cao hiệu suất của bóng đèn.
Hiệu suất sản sinh tia hồng ngoại của bóng đèn đạt 70% còn 30% thì chuyển thành ánh sáng nhìn thấy hoặc bị mất đi.
Diện tích chiếu của bóng đèn bé nhưng cường độ của tia hồng ngoại trong đơn vị diện tích thì rất lớn. Các bóng đèn sản sinh ra tia hồng ngoại là dòng điện đi qua yếu vì vậy nhiệt độ phát quang tuơng đối thấp. Vì nhiệt độ phát quang của