2.6.1. Giới thiệu vật iệu sấy
Vùng nguyên liệu
Hành lá là loại gia vị, khơng thể thiếu trong các bửa ăn hàng ngày, mặc dù vốn đầu tƣ và cơng lao động cao hơn các loại rau gia vị khác, nhƣng vẫn đạt hiệu quả kinh tế cao.
Hành thân thảo, cây sống lâu năm, cĩ mùi đặc biệt. Cĩ 5-6 lá, lá hình trụ rỗng, dài 30-50 cm, phía gốc lá phình to, trên đầu thuơn nhọn. Hoa tự mọc trên ống hình trụ, rỗng. Hoa tự dạng hình xim, cĩ ngấn thành hình tán giả trơng tựa hình cầu. Quả nang, trịn. Hành đƣợc trồng khắp nơi, chủ yếu là làm gia vị. Đồng thời hành cũng là một vị thuốc nam đƣợc dùng để chữa nhiều loại bệnh: thuốc ho, trừ đờm, lợi tiểu, sát trùng...
Hành lá là loại rau màu đặc biệt là hành khơ, gia vị này đã và đang đƣợc bà con các tỉnh nhƣ Hải Dƣơng vùng Đồng Bằng Sơng Hồng và bà con ở ĐBSCL đặc biệt là tỉnh Vĩnh Long trồng với diện tích khá lớn. Nếu nhƣ trƣớc đây loại cây trồng này chỉ sản xuất rãi rác ở một vài nơi, thì nay đã đƣợc trồng ở nhiều địa phƣơng. Thậm chí cịn hình thành những vùng chuyên canh lớn.
Với giá trị kinh tế cao hiện nay hành đang đƣợc thu mua với số lƣợng lớn dùng phụ vụ nhu cầu trong nƣớc và xuất khẩu ra các thị trƣờng lớn nhƣ Trung Quốc, Đài Loan đặc biệt là Nhật với số lƣợng lớn.
Đặc điểm và thành phần hĩa học của hành
Hành ta là một loại cỏ sống nhiều năm, cao khoảng 50cm, cĩ mùi đặc biệt. Tép hành màu trắng hoặc hơi nâu nâu, khơng phình lớn. Lá gồm 5 - 6 lá, 3 cạnh phái dƣới, hình trụ, phần trên, rỗng, dài 30 - 50cm đƣờng kính 4 – 8mm, phía giữa phình lên, đầu thuơn nhọn. Trục phát hoa cao bằng lá. Tán hình cầu, 1 – 2 lá hoa, trắng, mỏng. Phiến hoa trắng, 5mm, cĩ sọc xanh, quả nang, hình trịn, đƣờng kính chứng 6mm. Hạt hình 3 cạnh màu đen.
Tinh dầu cĩ mùi đặc biệt. Khơng nhƣ hành tây và tỏi, thành phần hĩa học của hành ta ít đƣợc nghiên cứu sâu rộng. Trong hành ta cĩ lẽ cĩ Alliin (allylcystein sulfoxide) giống nhƣ trong tỏi, nhƣng ít hơn. Alliin khi bị thủy giải bằng điều tố alliinnase clora Allicin, acid pyruvic và amonia (xem thành phần hĩa học của tỏi). Allicin là một chất khơng an định nên dễ bị thủy giải và phĩng thích allyl bisulfide, cĩ mùi đặc biệt.
2.6.2. Xây dựng quy trình cơng nghệ sấy Hành
Chọn những bụi hành tƣơng đối đồng đều, đúng tuổi, sinh trƣởng tốt, khơng bị nhiễm sâu bệnh.Rửa sạch và để ráo nƣớc trƣớc khi sấy. Hành sau khi rửa đƣợc thái mỏng tùy thuộc vào yêu cầu của khách hang sau đĩ trải đều trên khay sấy đảm bảo sao cho quá trình trao đổi nhiệt đối lƣu tối ƣu nhất. Hành chứa nhiều vitamin và chất dinh dƣỡng nên khơng thể tiến hành sấy ở nhiệt độ cao. Thơng thƣờng khoảng nhiệt độ thích hợp để sấy Hành ở trong khoảng 40 - 600
C [2]. Ta cĩ sơ đồ cơng nghệ sấy cà rốt nhƣ sau:
Hành tƣơi đầu vào (độ ẩm 92%) Rửa sạch và để ráo nƣớc
Phân loại hành Thái mỏng theo yêu cầu Xếp hành vào thành từng khay
Sấy (ở nhiệt độ 40-60oC) theo phƣơng pháp sấy lạnh Đến độ ẩm yêu cầu (3 - 8%)
Đĩng gĩi bảo quản
2.7. X c ịnh c c thơng số ầu vào của vật iệu a) Thành phần dinh dƣỡng của vật iệu sấy
Giá trị dinh dƣỡng và thành phần hĩa học trong 100g hành lá : Năng lƣợng 32,1Kcal 1%, Carbohydrates 7,34g 6% , Protein 1,83g 3%, Tổng số chất béo 0,3g 3%, Chất xơ 2,6g 7%. Vitamin: Folates 64 µg 16%, Niacin 0.525 mg 3%, Pantothenic acid 0.075 mg 1.5% , Pyridoxine 0.61 mg 5%, Riboflavin 0.080 mg 6%, Thiamin 0.055 mg 5%, Vitamin A 997 IU 33%, Vitamin C 18.8 mg 31%
Vitamin E 0.55 mg 4%, Vitamin K 207 µg 172%. Electrolytes: Sodium 16 mg 1% , Potassium 276 mg 6%. Minerals: Calcium 72 mg 7 %, Copper 0.083 mg 9%, Iron 1.48 mg 18.5%, Magnesium 20 mg 5%, Manganese 0.160 mg 7%, Phosphorus 37 mg 5%, Selenium 0.6 µg 1%, Zinc 0.39 mg 3.5%. Phyto-nutrients: Carotene-ß 598 µg, Crypto-xanthin-ß 0 µg, Lutein-zeaxanthin 1137 µg.
b) X c ịnh kích thƣớc vật iệu
Sử dụng thƣớc kẹp cĩ độ chính xác là 0,05mm cĩ thang đo từ 0,05100mm. Kích thƣớc ban đầu là kích thƣớc lớn nhất của các lát hành thái mỏng cĩ kích thƣớc 3 – 5 mm
c) X c ịnh ẩm ộ của vật iệu sấy
Ẩm độ là một thơng số kỹ thuật quan trọng và làm cơ sở cho quá trình sấy. Căn cứ vào ẩm độ đầu và cuối mà chúng tơi cĩ thể tính đƣợc thời gian sấy lý thuyết cũng nhƣ thời gian bảo quản. Ẩm độ đầu của hành đƣợc xác định bằng phƣơng pháp sấy đến tốc độ khơng đổi.
d) Phƣơng ph p x c ịnh màu, mùi
Bằng cách đánh giá cảm quan của nhiều ngƣời về màu sắc của nguyên liệu đầu vào và sản phẩm.
e) Lựa chọn chế ộ sấy
Đối với rau quả nĩi chung cũng nhƣ Hành nĩi riêng nhiệt độ sấy yêu cầu khơng quá cao. Thơng thƣờng đối với các loại rau quả nhiệt độ sấy khơng quá 60OC, vì nếu cao hơn cĩ thể làm tổn thất các thành phần vitamin, chất dinh dƣỡng và màu sắc trong sản phẩm dẫn đến làm giảm giá thành sản phẩm. Ở đây ta tính tốn theo hai chế độ sấy khác nhau, một là chế độ sấy hồi lƣu hồn tồn tác nhân sấy và chế độ thải bỏ tác nhân sấy.
2.8. Đề xuất phƣơng n thiết kế
Qua quá trình khảo sát trong quy mơ phịng thí nghiệm thực hành của trƣờng Đại học Nha Trang cĩ các thiết bị sấy nhƣ: sấy đối lƣu, sấy bơm nhiệt, sấy tầng sơi, sấy bức xạ hồng ngoại…, tuy nhiên chƣa cĩ thiết bị sấy bơm nhiệt tầng sơi kết hợp bức xạ hồng ngoại.
Đối với hệ thống sấy bức xạ hồng ngoại thì vật liệu sẽ bị đốt nĩng một mặt nên khơng đều chất lƣợng sản phẩm khơng tốt.
Đối với hệ thống sấy đối lƣu khi sấy các loại rau thì sản phẩm sẽ bị bay theo tác nhân sấy.
Quá trình nghiên cứu thực tế của các tác giả trong nƣớc và ngồi nƣớc đã đƣa ra đƣợc kết luận về hệ thống sấy bơm nhiệt tầng sơi kết hợp bức xạ hồng ngoại sẽ kết hợp các ƣu điểm nhƣ:
Tạo dịng truyền ẩm thuận, chế độ sấy dịu, khơng tạo màng.
Vật liệu tiếp xúc đều với tác nhân sấy, quá trình trao đổi nhiệt diễn ra tốt hơn.
Thời gian sấy ngắn.
Chất lƣợng sản phẩm tốt.
Tiết kiệm năng lƣợng.
Vì vậy, ta lựa chọn phƣơng án thiết kế là hệ thống sấy bơm nhiệt tầng sơi kết hợp bức xạ hồng ngoại.
2.9. Đề xuất hệ thống sấy bơm nhiệt tầng sơi
Hình 2.3: Sơ đồ hệ thống sấy bơm nhiệt tầng sơi kết hợp bức xạ hồng ngoại
Máy sấy lạnh với tác nhân sấy đƣợc xử lý tách ẩm trƣớc 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 dƣới nhiệt độ điểm sƣơng để hơi nƣớc trong khơng khí ẩm ngƣng tụ thành nƣớc và lấy ra ngồi. Phần tác nhân sấy sau khi tách ẩm đƣợc gia nhiệt lại bởi dàn nĩng của máy lạnh và rồi tiếp tục đƣa vào buồng sấy tiếp tục gia nhiệt từ đèn bức xạ hồng ngoại thực hiện quá trình sấy.
Cơ sở của phƣơng pháp này đƣợc thực hiện bằng cách giảm độ ẩm tƣơng đối trong khơng khí để tạo ra sự chênh lệch áp suất hơi bão hịa trên bề mặt vật liệu và áp suất riêng phần hơi nƣớc của tác nhân sấy . Bằng cách này độ ẩm sẽ tách ra khỏi nơng sản, thực phẩm, và đi vào khơng khí. Khi làm lạnh khơng khí trong thiết bị trao đổi nhiệt xuống thấp hơn nhiệt độ đọng sƣơng, hơi bão hồ ẩm sẽ ngƣng tụ và tách ra khỏi khơng khí. Khơng khí sau đĩ đi qua dàn nĩng sẽ sấy khơ vật liệu.
Trƣờng hợp tác nhân sấy hồi lƣu hồn tồn Kiểu sấy hồi lƣu hồn tồn sử dụng Heat pump dryer, tác nhân sấy sau khi đi qua buồng sấy (trạng thái 3 đƣợc quạt hút trở về theo đƣờng ống hồi lƣu, sau đĩ qua dàn lạnh giảm nhiệt độ đến nhiệt độ t4 (trạng thái 4) và đến nhiệt độ t1 (trạng thái 1), tại đây lƣợng nƣớc ngƣng tụ sẽ đƣợc dẫn ra ngồi. Tác nhân sấy sau khi tách ẩm tiếp tục đi qua dàn nĩng, nâng nhiệt độ lên t2 (trạng thái 2), rồi đi qua buồng sấy, thực hiện quá trình sấy. Quá trình sấy lý thuyết đƣợc trình bày trên giản đồ I-d nhƣ sau:
CHƢƠNG III
TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH MÁY SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT
3.1. Tính tốn quá trình sấy ý thuyết
Mục đích tính tốn nhiệt của quá trình là xác định tiêu hao khơng khí dùng cho quá trình sấy L, kg/h và tiêu hao nhiệt Q, kJ/h. Trên cơ sở tính tốn nhiệt xác định các kích thƣớc cơ bản của thiết bị. Đồng thời qua việc thiết lập cân bằng nhiệt, cân bằng năng lƣợng của hệ thống sẽ xác định đƣơc hiệu suất sử dụng nhiệt và hiệu suất sử dụng năng lƣợng của hệ thống cũng nhƣ tiêu hao nhiệt riêng của buồng sấy và hệ thống.
Hình 3.1: Đồ thị I-d chế độ sấy hồi lƣu hồn tồn
1-2: Quá trình gia nhiệt tác nhân sấy đến nhiệt độ sấy 450C. Điểm (2) là trạng thái khơng khí nĩng sau dàn ngƣng .
2-2’ hay (2-3): Quá trình vừa gia nhiệt tác nhân sấy lần 2 đến nhiệt độ sấy 500C vừa thực hiện quá trình sấy. Điểm (2’) hay điểm (3) là trạng thái khơng khí nĩng sau khi gia nhiệt bởi đèn bức xạ hồng ngoại và cuối quá trình sấy.
3-4: Quá trình làm lạnh tác nhân sấy lần thứ nhất, điểm (3) là trạng thái khơng khí sau khi đi qua buồng sấy đƣợc hồi lƣu hồn tồn, điểm (4) trạng thái khơng khí trong thiết bị bay hơi, lúc bắt đầu giảm ẩm.
4-4’: Quá trình làm lạnh tác nhân sấy lần thứ hai đến nhiệt độ đọng sƣơng.
4’-1: Quá trình tách ẩm trong dàn lạnh. Điểm (1) là trạng thái khơng khí cuối giai đoạn tách ẩm.
3.1.1. X c inh c c iểm nút trên ồ thị I – d qu trình sấy
a)Điểm 0 (Mơi trƣờng bên ngồi)
* Nhiệt độ t0 = 260C đƣợc chọn theo nhiệt độ trung bình của khu vực Thành Phố Nha Trang.
* Độ ẩm tƣơng đối φ0 = 81%
* Phân áp suất hơi bão hịa của nƣớc
(
) (
) * Dung ẩm của khơng khí
(Lấy giá trị Pa = 0,993 bar)
* Entanpy của khơng khí ẩm
I0 = 1,0048.t0 + d0(2500 +1,842.t0)
= 1,0048.26 + 0,017(2500 + 1,842.26)= 69,94 kJ/kg.kk
* Từ các thơng số nhiệt độ và độ ẩm khơng khí ngồi trời, sử dụng đồ thị I- d ta xác định đƣợc ts = 240 C (Từ điểm O (260C, 81%) dĩng đƣờng d= const cắt đƣờng φ=100%, ta xác định đƣợc ts)
b)Điểm 1: Trạng thái khơng khí sau dàn ạnh
* Nhiệt độ: t1 = 200C, theo [13]
* Độ ẩm tƣơng đối vì tác nhân sấy đến dàn lạnh ngƣng tụ ẩm nên tác nhân sấy ở trạng thái bão hịa nên chọn 1 = 100%.
(
) * Dung ẩm của khơng khí
* Entanpi
Thay các thơng số của điểm 1 vào cơng thức ta cĩ: I1 = 1,0048.t1 + d1(2500 +1,842.t1)
= 1,0048.20 + 0,017.(2500 + 1,842.20) = 63,22 kJ/kgkk
c)Điểm 2: Trạng th i khơng khí sau dàn ngƣng
* Nhiệt độ: t2 = 450C (Nhiệt độ cài đặt trong quá trình sấy) * Phân áp suất bão hồ
(
) (
) * Dung ẩm
Do quá trình 1 – 2 là quá trình gia nhiệt tác nhân sấy thơng qua dàn nĩng của bơm nhiệt nên : d1 = d2 = 0,017 kg/kgkk
* Entanpy : I2 = 1,0048.t2 + d2(2500 +1,842.t2) = 1,0048.45+ 0,017.(2500 + 1,842.45) = 89,13 kJ/kgkk * Độ ẩm tƣơng đối ( ) ( )
d)Điểm 2’ hay 3: Trạng th i khơng khí sau gia nhiệt bức xạ hồng ngoại và cuối
qu trình sấy.
* Nhiệt độ: t2’ = 500C, theo [13]
* Với độ ẩm đầu ra của tác nhân sấy sau khi ra khỏi buồng sấy chọn độ ẩm tƣơng đối = 34%
* Phân áp suất bão hồ
(
) (
* ( )
* Ta tính đƣợc dung ẩm của khơng khí d2’ = d3 = 0,019 kg/kgkk * Entanpi
Thay các thơng số của điểm 1 vào cơng thức ta cĩ: I2’= I3 = 1,0048.t2’ + d2’(2500 +1,842.t2’)
= 1,0048.50 + 0,019.(2500 + 1,842.50) = 94,30 kJ/kgkk
e)Điểm 4: Trạng th i khơng khí trƣớc dàn ạnh 1
* Độ ẩm: φ4 = 90%.
* Dung ẩm: d4 = d3 = 0,019 kg/kgkk * Phân áp suất bão hồ
( ) ( ) * Nhiệt độ * Entanpi I4 = 1,0048.t4 + d4(2500 +1,842.t4) = 1,004.25,7 + 0,019(2500 + 1,842.25,7) = 74,22 kJ/kgkk f)Điểm 4’: Trạng th i khơng khí trƣớc dàn ạnh 2 * Độ ẩm: φ4’ = 100%. * Dung ẩm: d4’ = d4 = 0,019 kg/kgkk * Phân áp suất bão hồ
( ) ( ) * Nhiệt độ
* Entanpi I4’ = 1,0048.t4’ + d4’(2500 +1,842.t4’) = 1,004.22+ 0,019(2500 + 1,842.22) = 72,03 kJ/kgkk
3.1.2. Tính to n tốc ộ sấy và thời gian sấy
Theo yêu cầu của đề tài ta lựa chọn vật liệu sấy là Hành, Các thơng số vật lý của Hành.
Độ ẩm đầu vào ω1 = 92%
Độ ẩm cuối ω2 = 3% - 5%. Ở đây ta chọn độ ẩm trung bình của sản phẩm ω2 = 4%.
Khối lƣợng riêng [8]
Tốc độ sấy tới hạn và tốc độ sấy tối ƣu của sấy tầng sơi (đối với Hành lá): Tiêu chuẩn Fe [12]:
√ ( ) Ở điều kiện nhiệt độ:
t = 0,5.( t1 + t2 ) = 0,5.( 40 + 35 ) = 37,5OC t1: Nhiệt độ tác nhân sấy vào buồng sấy t2: Nhiệt độ khơng khí ra khỏi buồng sấy
√ = √ = 0,0016 m
Với t = 37,5O
C ta cĩ vk = 16,7.10-6 m2/s, ` , dtđ = 0,0016 mvà .
√ ( ) √ ( ) ( ) Ta đƣợc: Reth = 0,095. Fe1,56 = 0,095. 54,21,56 = 48,17 Do đĩ tốc độ sấy tới hạn: ( ) Wt = 10,06 15,09 Chọn Wt = 12
Ta cĩ thể tính tốc độ sấy tối ƣu theo Re1 Lấy chế độ sấy tối ƣu theo tiêu chuẩn:
Re1 = (0,19 – 0,259).Fe1,56 = 0,23.54,21,56 =116,62 Do đĩ: Chiều cao lớp VLS chọn H = 0,05 m Nu = 0,0283. Fe0,74. Re0,65.( ) = 0,0283. 54,20,74. 116,620,65.( ) Nu = 3,33
Ta cĩ hệ số trao đổi nhiệt :
Với t = 37,5O C ta cĩ λ = 0,027 (W/mK) Ta đƣợc = = 56,19 (W/m2 K) Mật độ dịng nhiệt [1] ( )
Với tm: Nhiệt độ tác nhân sấy, tm = 450C
tb: Nhiệt độ bề mặt vật liệu tb = tƣ = 270C [Xác định dựa vào đồ thị I- d]
( ) Hay 2629692 kj/m2h
1b 2b
J J =
r
r: Nhiệt ẩn hĩa hơi (theo áp suất) với tb = 270C. Ta cĩ: P = 0,04517 bar. Ta cĩ: r=2429 (kj/kg) Tốc độ sấy đẳng tốc [1] 2 0 100J b U R
Với: ρo: Khối lƣợng riêng của Hành, ρo =ρn =944 (kg/m3) R: Phân nửa kích thƣớc vật liệu sấy
Theo thực nghiệm khảo sát lấy R = 1,5 mm
Thời gian đốt nĩng vật liệu [19]
2 0 0 F R τ = a F0 chuẩn số Fure
- Xác định chuẩn số Bio nhờ sự tƣơng quan giữa sự trao đổi nhiệt trên bề mặt và tính dẫn nhiệt của nĩ:
Với: R: Bán kính vật liệu, mm;
: Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu, λ=0,35 W/mK; [8]
q
: Hệ số trao đổi nhiệt đối lƣu; Theo tài liệu [2]
( )
( ) ( )
Với: Uk: Tốc độ dịng khí, m/s;
ρk: Khối lƣợng riêng khơng khí tại nhiệt độ sấy, kg/m3 ; R: Bán kính vật liệu xác định từ thực nghiệm, mm;
- Chuẩn số nhiệt độ T xác định đại lƣợng đốt nĩng vật liệu tại 1 điểm bất kì: Với:
tk: Nhiệt độ trung bình của tác nhân sấy trong khơng gian sấy,tk= tm=37,50C;
o
:Nhiệt độ vật liệu đƣa vào thiết bị sấy, o= to;
1:Nhiệt độ bề mặt bay hơi của vật liệu, 1= tƣ ;
Tra theo đồ thị hình 5.11 [3] ta tìm đƣợc hệ số F0 0, 6
a - hệ số dẫn nhiệt của vật liệu:
v a C Trong đĩ: λ= 0,35 (w/m2K), ρ = 944 (kg/m3