Từ những đặc tính ưu việt của công nghệ sấy lạnh ta nhân thấy rằng công nghệ này có nhiều ưu điểm và hiệu quả kinh tế cao trong việc ứng dụng vào sấy các sản phẩm rau quả có giá trị kinh tế. Tuy nhiên, từ lý thuyết đến thực tiễn là một quá trình làm việc lâu dài đòi hỏi quá trình đầu tư nghiên cứu tỉ mỉ. Công nghệ sấy lạnh có thể giải quyết hạn chế của công nghệ sấy nóng trong các quy trình sấy rau quả. Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ sấy lạnh đối với các loại sản phẩm rau củ khác nhau cần phải nghiên cứu độc lập, từ đó xây dựng những quy trình công nghệ chuẩn cho các loại hoặc các dạng rau quả. Từ yêu cầu thực tế đó, cần thiết phải tính toán thiết kế một mô hình thực tế và kiểm tra thực nghiệm đối với các quy trình công nghệ. Nôi dung thực hiện ở Chương III: “Tính toán thiết kế mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt” sẽ trình bày rõ nội dung này.
Chương 3
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH MÁY SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
3.1. Giới thiệu về bài toán thiết kế và mô hình thiết kế
Các loại rau quả rất nhạy cảm với nhiệt độ cao, đặc biệt là các loại vitamin và khoáng chất, ở nhiệt độ trên 600C các chất này bắt đầu phân hủy, dẫn đến làm giảm giá trị dinh dưỡng cũng như giá thành của sản phẩm [20]. Đối với các phương pháp sấy nóng, việc lấy ẩm từ vật liệu chỉ thực hiện được bằng việc đốt nóng vật liệu hoặc tác nhân sấy lên đến nhiệt độ cao, sẽ không đáp ứng được các yêu cầu về chất lượng. Để giải quyết vấn đề này, máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt ra đời, là phương pháp sấy mà việc lấy ẩm từ vật liệu sấy được thực hiện bằng cách tạo ra sự chênh áp giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy cho nên không đòi hỏi phải gia nhiệt tác nhân sấy lên nhiệt độ quá cao. Cũng cùng nguyên lý dịch chuyển ẩm từ bên trong nhân ra ngoài bề mặt vật liệu sấy nhưng có thể dễ dàng nhân thấy rằng, đối với phương pháp sấy nóng tác nhân sấy ở nhiệt độ cao sẽ làm khô bề mặt vật liệu nhanh hơn do đó sẽ cản trở quá trình dịch chuyển ẩm. Hơn nữa, các vật liệu sấy khác nhau có cấu trúc tế bào và thành phần hóa lý khác nhau, việc sử dụng phương pháp sấy lạnh chúng ta có thể xây dựng quy trình công nghệ đối với các loại rau quả khác nhau. Bài toán thiết kế mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt sấy Cà rốt được thực hiện để xác định các thông số quá trình từ thực nghiệm.
Nguyên lý hoạt động của thiết bị
Máy sấy lạnh hoạt động dựa trên nguyên lý của tủ sấy, nhưng tác nhân sấy được xử lý tách ẩm trước khi vào buồng sấy. Nguyên tắc tách ẩm tác nhân sấy bằng cách sử dụng dàn lạnh của máy lạnh để làm giảm nhiệt độ của tác nhân sấy dưới nhiệt độ điểm sương để hơi nước trong không khí ẩm ngưng tụ thành nước và được lấy ra ngoài. Phần tác nhân sấy sau khi tách ẩm được gia nhiệt lại bởi dàn nóng của máy lạnh rôii tiếp tục đưa vào buồng sấy thực hiện quá trình sấy.
Không khí ngoài trời ở trạng thái O (t0, φ0) được đưa qua dàn lạnh. Khi máy hoạt động môi chất lạnh được máy nén nén lên dàn ngưng tụ sau đó đi qua van tiết lưu rồi về dàn lạnh trao đổi nhiệt với không khí ngoài trời được hút vào, quá trình làm lạnh làm cho không khí lạnh trở nên bão hòa nước ngưng tụ thoát ra ngoài, lúc này không khí ngoài trời có nhiệt độ là t2 trạng thái 2, sau đó tác nhân sấy tiếp tục đi qua dàn nóng, nâng nhiệt độ tác nhân lên đến nhiệt độ t3 trạng thái 3. Tác nhân sấy này sau đó được dẫn qua các khay vật liệu sấy để thực hiện quá trình sấy tách ẩm đẳng nhiệt. Quá trình sấy sau đó tiếp tục với lượng tác nhân hồi lưu chứa ẩm vật liệu sấy.
Hình 3-1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống và đồ thị quá trình sấy
3.2. Xây dựng quy trình công nghệ sấy Cà rốt 3.2.1. Giới thiệu về vật liệu sấy
Cà rốt - Daucus carota L., ssp sativus Hayek., thuộc họ Hoa tán - Apiaceae. * Mô tả
Cà rốt là loại cây thảo sống 2 năm. Lá cắt
thành bản hẹp. Hoa tập hợp thành tán kép; trong mỗi tán, hoa ở chính giữa thì không sinh sản và màu tía, còn các hoa sinh sản ở chung quanh thì màu trắng hay hồng. Hạt Cà rốt có vỏ gỗ và lớp lông cứng che phủ.
* Bộ phận dùng
* Nơi sống và thu hái
Cà rốt là một trong những loại rau trồng rộng rãi nhất và lâu đời nhất trên thế giới. Cà rốt cũng được trồng nhiều ở nước ta. Hiện nay, các vùng rau của ta đang trồng phổ biến hai loại Cà rốt: một loại có củ màu đỏ tươi, một loại có củ màu đỏ ngả sang màu da cam.
- Loại vỏ đỏ (Cà rốt đỏ) được nhập trồng từ lâu, nay nông dân ta tự giữ giống; loại cà rốt này có củ to nhỏ không đều, lõi to, nhiều xơ, hay phân nhánh, kém ngọt. - Loại vỏ màu đỏ ngả sang màu da cam là cà rốt nhập của Pháp (Cà rốt Tim tôm)
sinh trưởng nhanh hơn loài trên; tỷ lệ củ trên 80%, da nhẵn, lõi nhỏ, ít bị phân nhánh nhưng củ hơi ngắn, mập hơn, ăn ngon, được thị trường ưa chuộng.
* Thành phần hóa học
Cà rốt là một trong những loại rau được đánh giá cao về giá trị dinh dưỡng và chữa bệnh đối với con người. Cà rốt giàu lượng đường và các loại vitamin cũng như năng lượng. Các dạng đường tập trung ở lớp vỏ và thịt của củ; phần lõi rất ít. Vì vậy củ cà rốt có lớp vỏ dày, lõi nhỏ mới là củ tốt.
Trong 100g ăn được của Cà rốt, theo tỷ lệ % có: nước 88,5; protid 1,5; glucid 8,8; cellulose 1,2; chất tro 0,8. Muối khoáng có trong Cà rốt như kalium, calcium, sắt, phosphor, đồng, bor, brom, mangan, magnesium, molipden...
3.2.2. Xây dựng quy trình công nghệ sấy Cà rốt
* Cà rốt phải chọn màu đỏ, củ to và lõi nhỏ.
* Sau khi rửa sạch chần trong nước sôi ở nhiệt độ 87-880C trong thời gian 6-8 phút. * Rửa lại để loại bỏ vỏ và sunfit hóa bằng dung dịch SO2 có nồng độ 0,2-1%.
* Cà rốt được sunfit hóa thái mỏng thành lát, trải đều trên khay sấy đảm bảo sao cho quá trình trao đổi nhiệt đối lưu tối ưu nhất.
* Cà rốt là loại rau củ nhiều vitamin và chất dinh dưỡng nên không thể tiến hành sấy ở nhiệt độ cao. Thông thường khoảng nhiệt độ thích hợp để sấy Cà rốt ở trong khoảng 30 -700C [3]. Ta có sơ đồ công nghệ sấy cà rốt như sau:
Cà rốt tươi đầu vào (độ ẩm 88,7%) Rửa sạch, cắt gọt
Chần trong nước sôi nhiệt độ (87-880C) trong thời gian 6-8 phút
Rửa lại trong dung dịch SO2 (0,2-1%) Loại bỏ vỏ
Thái mỏng, xếp vào khay sấy
Sấy (ở nhiệt độ 30-50oC) theo phương pháp sấy lạnh
Đến độ ẩm yêu cầu (12-14%) Đóng gói bảo quản
Hình 3-2. Sơ đồ công nghệ sấy Cà rốt
3.3. Xác định các thông số đầu vào của vật liệu a) Thành phần dinh dưỡng của vật liệu sấy a) Thành phần dinh dưỡng của vật liệu sấy
Cà rốt sấy khô rất giàu vitamin: C, B1, B2, PP và đặc biệt là tiền vitamin A. Thành phần hóa học của Cà rốt sấy khô bao gồm: 13% nước, 9,2% protit, 1,5% lipit, 48% đường, 10,4% tinh bột, 9,6% xenluloza, 2% axit, 6,3 % tro. [20]
b) Xác định kích thước vật liệu
Sử dụng thước kẹp có độ chính xác là 0,05mm có thang đo từ 0,054100mm. Kích thước ban đầu là kích thước lớn nhất của các miếng Cà rốt thái tròn. Kích thước ngang (đường kính) đo gần giữa miếng Cà rốt. Tiến hành đo thí nghiệm 10 lần và thu được kết quả trung bình của miếng Cà rốt.
c) Xác định ẩm độ của vật liệu sấy
Ẩm độ là một thông số kỹ thuật quan trọng và làm cơ sở cho quá trình sấy. Căn cứ vào ẩm độ đầu và cuối mà chúng tôi có thể tính được thời gian sấy lý thuyết cũng như thời gian bảo quản. Ẩm độ đầu của Cà rốt được xác định bằng phương pháp tủ sấy.
d) Phương pháp xác định màu, mùi
Bằng cách đánh giá cảm quan của nhiều người về màu sắc của nguyên liệu đầu vào và sản phẩm.
e) Lựa chọn chế độ sấy
Đối với rau quả nói chung cũng như Cà rốt nói riêng nhiệt độ sấy yêu cầu không quá cao. Thông thường đối với các loại rau quả nhiệt độ sấy không quá 600C, vì nếu cao hơn có thể làm tổn thương các thành phần vitamin, chất dinh dưỡng và màu sắc trong sản phẩm dẫn đến làm giảm giá thành sản phẩm. Ở đây ta tính toán theo hai chế độ sấy
khác nhau, một là chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn tác nhân sấy và chế độ thải bỏ tác nhân sấy.
3.4 Tính toán sấy lạnh lý thuyết theo chế độ hồi lưu hoàn toàn khí thải
Mục đích tính toán nhiệt của quá trình là xác định tiêu hao không khí dùng cho quá trình sấy L, kg/h và tiêu hao nhiệt Q, kJ/h. Trên cơ sở tính toán nhiệt xác định các kích thước cơ bản của thiết bị. Đồng thời qua việc thiết lập cân bằng nhiệt, cân bằng năng lượng của hệ thống sẽ xác định đươc hiệu suất sử dụng nhiệt và hiệu suất sử dụng năng lượng của hệ thống cũng như tiêu hao nhiệt riêng của buồng sấy và hệ thống.
Máy sấy lạnh dựa trên nguyên lý của tủ sấy, nhưng tác nhân sấy được xử lý tách ẩm trước khi đi vào buồng sấy. Nguyên tắc tách ẩm tác nhân sấy dùng dàn lạnh của máy lạnh để làm giảm nhiệt độ của tác nhân sấy dưới nhiệt độ điểm sương để bốc hơi nước trong không khí ẩm ngưng tụ thành nước và lấy ra ngoài. Phần tác nhân sấy sau khi tách ẩm được gia nhiệt lại bởi dàn nóng của máy lạnh rồi tiếp tục đưa vào buồng sấy thực hiện quá trình sấy.
Cơ sở của phương pháp này được thực hiện bằng cách giảm độ ẩm tương đối trong không khí để tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa hơi nước trong không khí và hơi nước trong nông sản, thực phẩm. Bằng cách này độ ẩm sẽ tách ra khỏi nông sản, thực phẩm, và đi vào không khí. Khi làm lạnh không khí trong thiết bị trao đổi nhiệt xuống thấp hơn nhiệt độ đọng sương, hơi bão hoà ẩm sẽ ngưng tụ và tách ra khỏi không khí. Không khí sau đó đi qua dàn nóng sẽ sấy khô vật liệu.
Hình 3-4. Đồ thị I-d chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn
Hình 3-3. Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt sử dụng trong hệ thống sấy lạnh
Trường hợp tác nhân sấy hồi lưu hoàn toàn Kiểu sấy hồi lưu hoàn toàn sử dụng
Heat pump dryer, tác nhân sấy sau khí đi qua buồng sấy (trạng thái 3 được quạt hút trở về theo đường ống hồi lưu, sau đó qua dàn lạnh giảm nhiệt độ đến nhiệt độ t4 (trạng thái 4) và đến nhiệt độ t1 (trạng thái 1), tại đây lượng nước ngưng tụ sẽ được dẫn ra ngoài. Tác nhân sấy sau khi tách ẩm tiếp tục đi qua dàn nóng, nâng nhiệt độ lên t2 (trạng thái 2), rồi đi qua buồng sấy, thực hiện quá trình sấy. Quá trình sấy lý thuyết được trình bày trên giản đồ I-d như sau:
1-2: Quá trình gia nhiệt
tác nhân sấy đến nhiệt độ sấy. Điểm (2) là trạng thái không khí nóng trước khi vào buồng sấy.
2-3: Quá trình sấy đẳng nhiệt, tác nhân sấy có ẩm độ thấp được thổi qua vật liệu sấy sẽ nhận ẩm thoát ra từ vật liệu và mang ra khỏi buồng sấy.
3-4: Quá trình làm lạnh tác nhân sấy đến nhiệt độ đọng sương. Điểm (3) là trạng thái không khí sau khi đi qua buồng sấy được hồi lưu hoàn toàn, điểm (4) trạng thái không khí trong thiết bị bay hơi, lúc bắt đầu giảm ẩm.
4-1: Quá trình tách ẩm. Điểm (1) là trạng thái không khí cuối giai đoạn tách ẩm.
3.4.1 Xác định thông số của các điểm nút trên đồ thị quá trình sấy a) Điểm 0 (Môi trường bên ngoài)
*
Nhiệt độ t0= 270C được chọn theo nhiệt độ trung bình của khu vực Thành Phố Hồ Chí Minh. [Theo kết quả thực nghiệm chương 4]
* Độ ẩm tương đối φ0 = 74% [Theo kết quả thực nghiệm chương 4] * Phân áp suất hơi bão hòa của nước
b0
0
4026, 42 4026, 42
P = exp 12 - = exp 12 - = 0,03548bar
235,5 + t 235,5 + 27 ÷ ÷ *
Dung ẩm của không khí
0 b0 0 a 0 b0 φ 0,74.0,03548 0,621 0,621 =0,0169 kg/kgkk 0,993-0,74.0,03548 .P d = = P -φ .P
(Lấy giá trị Pa = 0,993 bar)
* Entanpy của không khí ẩm
I0 = 1,0048.t0 + d0(2500 +1,842.t0)
= 1,0048.27 + 0,0169(2500 + 1,842.27)= 70,22 kJ/kg.kk
* Từ các thông số nhiệt độ và độ ẩm không khí ngoài trời, sử dụng đồ thị I-d ta xác định được ts =220 C (Từ điểm O (270C, 74%) dóng đường d= const cắt đường φ=100%, ta xác định được ts)
b) Điểm 1 : Trạng thái không khí sau dàn lạnh
*
Nhiệt độ: t1 = 8 0C, theo [5]
* Độ ẩm tương đối vì tác nhân sấy đến dàn lạnh ngưng tụ ẩm nên tác nhân sấy ở trạng thái bão hòa nên chọn ϕ1 = 100%.
* Phân áp suất bão hoà
b1
1
4026,42 4026,42
P =exp 12- =exp 12- =0,01072 bar
235,5+t 235,5+8
÷ ÷
* Dung ẩm của không khí
1 b1 1 1 b1 a .P 1.0,01072 d =0,621 =0,621 =0,00678 kg/kgkk P - .P 0,993-1.0,01072 ϕ ϕ * Entanpi
Thay các thông số của điểm 1 vào công thức ta có: I1 = 1,0048.t1 + d1(2500 +1,842.t1)
= 1,0048.8 + 0,00678.(2500 + 1,842.8) = 25,1 kJ/kgkk
c) Điểm 2 : Tác nhân sấy được gia nhiệt (trạng thái không khí sau dàn nóng)
*
Nhiệt độ: t2 = 400C (Nhiệt độ cài đặt trong quá trình sấy) * Phân áp suất bão hoà
4026,42 4026,42
P =exp 12-b2 =exp 12- =0,0731 bar
235,5+t2 235,5+40 ÷ ÷ ÷ * Dung ẩm
Do quá trình 1-2 là quá trình gia nhiệt tác nhân sấy thông qua dàn nóng của bơm nhiệt nên : d1 = d2 = 0,00678 kg/kgkk * Entanpy : I2 = 1,0048.t2 + d2(2500 +1,842.t2) = 1,0048.40 + 0,00678.(2500 + 1,842.40) = 57,64 kJ/kgkk * Độ ẩm tương đối ( ) 2 b2 2 a P .d φ = 0,621+d2 .P =(0,621 0,00678 .0,07310,993.0,00678+ ) = 0,147 = 14,7 % d) Điểm 3
Về mặt lý thuyết quá trình sấy trong phương pháp sấy lạnh là quá trình đẳng nhiệt, t2=t3=400C. Với độ ẩm đầu ra của tác nhân sấy sau khi ra khỏi buồng sấy chọn φ=15 %. * Phân áp suất hơi bão hòa
b3
3
4026,42 4026,42
P =exp 12- =exp 12- =0,0731 bar
235,5+t 235,5+40 ÷ ÷ ÷ * Dung ẩm: 3 30 3 b3 3 a φ .P 0,15.0,0731 d =0,621 =0,621 =0,011 kg/kgkk P -φ .P 0,993-0,15.0,0731 * Entanpy I3 = 1,0048.t3 + d3(2500 +1,842.t3) = 1,0048.40 + 0,011.(2500 + 1,842.40) = 68,5 kJ/kgkk e) Điểm 4
* Độ ẩm: φ4= 100%.
* Dung ẩm: d4 = d3 = 0,011 kg/kgkk * Phân áp suất bão hoà
Pb4 = ( 44) 4 a P .d 0,621+d .φ = (0,621+0,011).1 = 0,0173 bar0,993.0,011 * Nhiệt độ t4 = b4 4026,42-235,5 12-lnP = 12 ln 0,01734026, 42− −235,5 = 15,3 0C * Entanpi I4 = 1,0048.t4 + d4(2500 +1,842.t4) = 1,004.15,3 + 0,011(2500 + 1,842.15,3) = 43,2 kJ/kgkk
3.4.2 Tính toán tốc độ sấy và thời gian sấy
Theo yêu cầu của đề tài ta lựa chọn vật liệu sấy là Cà rốt, Các thông số vật lý của Càrốt. • Độ ẩm đầu vào ω1 = 88,7% [Xác định bằng thực nghiệm chương 4]
• Độ ẩm cuối ω2 = 12% - 14%. Ở đây ta chọn độ ẩm trung bình của sản phẩm ω2 = 13%. [Xác định bằng thực nghiệm chương 4]
• Khối lượng riêng ρ =1035kg/m [Phụ lục 6 /3/] 3
Tốc độ sấy đẳng tốc: Sử dụng dụng cụ đo tốc độ gió khi tiến hành thực nghiệm ta xác định được vận tốc tác nhân sấy trong buồng sấy v = 3,1 m/s. Vận tốc tác nhân sấy v =3,1m/s < 5 m/s. Theo tài liệu [1] ta có hệ số trao đổi nhiệt đối lưu:
2
1
α =6,15+4,17.v=6,15+4,17.3,1=19,1 W/m K
Mật độ dòng nhiệt [1]
J =α (t -t )1b 1 m b
Với tm - nhiệt độ tác nhân sấy, tm = 400C
tb - nhiệt độ bề mặt vật liệu tb=tư = 280C [Xác định dựa vào đồ thị I-d]
( ) 2
1b 229,2 W/m
J =19,1 40-28 = hay 825120 kJ/m2h