Đồ án Ứng dụng công nghệ sấy lạnh trong công nghiệp chế biến rau quả Việt Nam

hơi của nước sẽ rất thấp, làm tăng cường quá trình thoát ẩm trong vật, do vậy phương pháp sấy chân không có thể tiến hành sấy ở nhiệt độ thấp hơn hơn nhiệt độ môi trường. Vì thế sản phẩm sấy chân không không bị tác động gây biến tính của nhiệt độ cao và luôn giữ được gần như đầy đủ các tính chất đặc trưng ban đầu. 2.3.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy a) Nhiệt độ sấy Yếu tố ảnh hưởng nhiều đến chất lượng sản phẩm rau quả khô là nhiệt độ sấy. Nếu nhiệt độ sản phẩm trong quá trình sấy cao hơn 60 oC thì prôtêin bị biến tính. Nếu trên 90oC thì fruetoza bắt đầu bị caramen hoá, các phản ứng tạo ra mebanoizin, polime hoá hợp chất cao phân tử ... xảy ra mạnh và ở nhiệt độ cao hơn nữa rau quả có thể bị cháy. Rau quả đòi hỏi có chế độ sấy ôn hoà (nhiệt độ thấp). Nếu loại rau quả ít thành phần protêin thì nhiệt độ đốt nóng sản phẩm có thể lên đến 80-90 oC. Nếu tiếp xúc nhiệt trong thời gian ngắn như sấy phun thì nhiệt độ sấy có thể lên đến 150 oC. Đối với sản phẩm không chần như chuối, đu đủ thì có thể sấy nhiệt độ cao, giai đoạn đầu 90-100 oC, sau đó giảm dần xuống. Quá trình sấy còn phụ thuộc vào tốc độ tăng nhiệt của vật liệu sấy. Nếu tốc độ tăng nhiệt quá nhanh thì bề mặt mặt quả bị rắn lại và ngăn quá trình thoát ẩm. Ngược lại, nếu tốc độ tăng chậm thì cường độ thoát ẩm yếu. b) Độ ẩm không khí Muốn nâng cao khả năng hút ẩm của không khí thì phải giảm độ ẩm tương đối của nó xuống. Có 2 cách làm giảm độ ẩm tương đối của không khí: Tăng nhiệt độ không khí bằng cách dùng calorife Giảm nhiệt độ không khí bằng cách dùng máy hút ẩm Thông thường khi vào lò sấy, không khí có độ ẩm 10 - 13%. Nếu độ ẩm của không khí quá thấp sẽ làm rau quả nứt hoặc tạo ra lớp vỏ khô trên bề mặt, làm ảnh hưởng xấu đến quá trình thoát hơi ẩm tiếp theo. Nhưng nếu độ ẩm quá cao sẽ làm tốc độ sấy giảm. Khi ra khỏi lò sấy, không khí mang theo hơi ẩm của rau quả tươi nên độ ẩm tăng lên (thông thường khoảng 40 - 60%). Nếu không khí đi ra có độ ẩm quá thấp thì sẽ tốn năng lượng; ngược lại, nếu quá cao sẽ dễ bị đọng sương, làm hư hỏng sản phẩm sấy. Người ta điều chỉnh độ ẩm của không khí ra bằng cách điều chỉnh tốc độ lưu thông của nó và lượng rau quả tươi chứa trong lò sấy. c) Lưu thông của không khí Trong quá trình sấy, không khí có thể lưu thông tự nhiên hoặc cưỡng bức. Trong các lò sấy, không khí lưu thông tự nhiên với tốc độ nhỏ (nhỏ hơn 0,4m/s), do vậy thời gian sấy thường kéo dài, làm chất lượng sản phẩm sấy không cao. Để khắc phục nhược điểm này, người ta phải dùng quạt để thông gió cưỡng bức với tốc độ trong khoảng 0,4 - 4,0 m/s trong các thiết bị sấy. Nếu tốc độ gió quá lớn (trên 4,0 m/s) sẽ gây tổn thất nhiệt lượng. d) Độ dày của lớp sấy Độ dày của lớp rau quả sấy cũng ảnh hưởng đến quá trình sấy. Lớp nguyên liệu càng mỏng thì quá trình sấy càng nhanh và đồng đều, nhưng nếu quá mỏng sẽ làm giảm năng suất của lò sấy. Ngược lại, nếu quá dày thì sẽ làm giảm sự lưu thông của không khí, dẫn đến sản phẩm bị "đổ mồ hôi" do hơi ẩm đọng lại. Thông thường nên xếp lớp hoa quả trên các khay sấy với khối lượng 5 – 8 kg/m2 là phù hợp. Một số phương pháp sấy rau quả 2.4.1 Phương pháp sấy bằng không khí Công việc này được tiến hành bằng cách trải rau quả lên các loại bề mặt ở ngoài trời để nhận ánh sang mặt trời trực tiếp. Tuy nhiên, sản phẩm có chất lượng kém do đó khó kiểm soát được vấn đề vệ sinh, điều chỉnh độ ẩm, nhiệt độ và tốc độ sấy. Người ta chế tạo máy sấy dung năng lượng mặt trời nhằm khắc phục những nhược điểm trên. Thiết bị này sử dụng một cơ cấu rất đơn giản có tác dụng tăng cường nhiệt từ mặt trời và bảo vệ sản phẩm. Cần chú ý phân biệt giữa sấy trực tiếp và sấy gián tiếp bằng năng lượng mặt trời. Đối với sấy trực tiếp, sản phẩm được đặt dưới ánh nắng mặt trời và kết quả là sẽ thay đổi về màu sắc, thành phầm vitamin. Đối với sấy gián tiếp, nguyên liệu này được bảo vệ khỏi ánh sáng trực tiếp từ mặt trời. Ở phương pháp này, người ta sử dụng một phòng riêng để thu nhận nhiệt lượng từ mặt trời và tại đó, không khí được cấp nhiệt rồi thổi qua phòng chứa sản phẩm. Máy sấy cơ học dùng nhiên liệu để đốt nóng không kí một cách trực tiếp, thực phẩm được sấy bằng khí đốt, hoặc một cách gián tiếp thực phẩm được sấy bằng không khí nóng do khí đốt. Hai hình thức này đều có khả năng kiểm soát tốt hơn so với sấy bằng mặt trời và có thể tiến hành cả ngày lẫn đêm, không phụ thuộc vào thời tiết. Tuy nhiên, chi phí đầu tư và vận hành cho thiết bị này khá cao. Đối với các sản phẩm đã được lựa chọn phân loại tốt từ nguyên liệu ban đầu, công đoạn rửa và xử lý cũng quan trọng như công đoạn sấy. a) Phương pháp sấy lát Phương pháp này tiến hành sấy một hoặc hỗn hợp nhiều loại rau quả (đã được xử lý bằng dioxyt sunfua nhằm hạn chế mất màu và vi sinh vật phát triển) ở dạng lát mỏng. Loại này thường được dùng như thực phẩm ăn nhẹ, có thể tăng độ ngọt bằng cách bổ sung đường vào nguyên liệu ban đầu hoặc thay đổi thành phần như thêm hạnh nhân, dừa nạo hay bột gia vị. b) Phương pháp sấy bổ sung Ví dụ như chuối đã được sấy trước đó nhằm loại bỏ lớp đường dính tiếp tục được sấy bổ sung. Việc đóng gói và bảo quản sản phẩm sấy khô đòi hỏi nhiều yêu cầu. Sản phẩm sau khi sấy cần được bảo quản tránh ánh sáng mặt trời, độ ẩm và nhiệt độ nhằm ngăn ngừa sự giảm hương vị và hư hỏng. Người ta thường dùng dụng cụ chứa bằng gốm, thủy tinh, kim loại hay nhựa cho tới khi chúng được đóng hộp. Giải pháp rẻ nhất là sử dụng túi màng mỏng PE với điều kiện phải được ghép mệng bằng. Nơi bảo quản cần thoáng mát, tránh xa ánh sáng mặt trời, côn trùng và loài gặm nhấm. Đa số, sản phẩm sấy đều ổn định chất lượng trong nhiều tuần. 2.5 Vai trò của công nghệ sấy lạnh đối với công nghiệp chế biến và bảo quản rau quả 2.5.1 Sử dụng bơm nhiệt trong bảo quản rau quả Bơm nhiệt đã được nghiên cứu sử dụng trong nông nghiệp vào những năm 1950 và đã có nhiều ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như trong trại sản xuất bơ sữa, sấy ngũ cốc, gỗ xây dựng, vv… Hầu hết các nghiên cứu trước đây chỉ phác thảo nên những lợi ích ban đầu của việc sử dụng bơm nhiệt trong việc tái sử dụng nguồn năng lượng, nhưng thực tế thấy rằng nó không kinh tế khi so sánh với giá nhiên liệu cùng thời điểm. Giá chi phí nhiên liệu tăng cao vì cuộc khủng hoảng dầu mỏ vào những năm 1970 bắt đầu hồi sinh lại bơm nhiệt, và người ta bắt đầu sử dụng nó để khử ẩm. Việc suy giảm nguồn cung cấp nguyên liệu hóa thạch và những nhu cầu về việc bảo tồn nguồn năng lượng đã thúc đẩy những nghiên cứu về việc sử dụng nguồn nhiên liệu thay thế cho việc sấy khô ngũ cốc. Từ đó, rất nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trong lĩnh vực này, và các quy trình khác nhau được phát triển cho nhiều ứng dụng sấy khác nhau như là sấy gỗ và mạch nha ở Đức, sấy cá ở NaUy, và điều hòa không khí, khử ẩm cho các nhà kho và các nhà kính (Toel và các công sự, 1988). Ở NaUy sấy ở nhiệt độ thấp đã được nghiên cứu sử dụng một máy sấy sử dụng bơm nhiệt, và các vật liệu sinh học được sấy khô tại nhiệt độ thấp khoảng -250C (Alves-Fiho và Strommen, 1996a,b). 2.5.2 Dự đoán và mô hình hóa hệ thống sấy bơm nhiệt Việc nghiên cứu và phân tích các chế độ trong quá trình sấy là cần thiết cho sự tối ưu hóa và thiết kế quy mô lớn. Tuy nhiên, việc mô tả cơ học rõ ràng của quá trình sấy các sản phẩm rau củ còn liên quan đến việc nghiên cứu những ứng dụng trên quy mô lớn vốn cần phương pháp thiết kế và nghiên cứu. Farkas (2000) đã xuất bản tác phẩm mô tả phương pháp mô hình hóa. Hầu hết mọi phương pháp mô hình hóa đều bám vào các khái niệm về sự khuếch tán của nước trong phạm vi vật liệu sấy (Sherwood, 1936), một cách tiếp cận gây sự tranh cãi với hầu hết những quan niệm trước đây (Hougen, 1940). Một điều thuận lợi to lớn ở đây là việc tính toán số học được thực hiện bởi máy tính như là một công cụ giúp cho việc nghiên cứu để có thể giải quyết các phương trình phức tạp của hệ thống trong các mô hình này. Gần đây, có nhiều dấu hiệu về sự thay đổi cơ bản từ độ chênh lệch tập trung đến độ chênh lệch điện áp hóa học (Gekas, 2001).Dữ liệu độ khuếch tán ẩm từ những nguồn khác nhau được biên soạn bởi Mittal (1999) và Zogas (1996). Trong quy trình sấy sử dụng bơm nhiệt hỗ trợ, hai thành phần đó là, bơm nhiệt và vật liệu sấy thực tế, được xử lý một cách riêng rẽ. Sự mô tả tổng hợp có thể là quá phức tạp để có các giá trị thực tế. Các nghiên cứu trước đây về hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt chỉ chú tâm đến phần đánh giá khả năng hoạt động. Bản thân bơm nhiệt được quan tâm cả về khả năng khử ẩm và gia nhiệt, và điểm đặc biệt của bơm nhiệt thường được nhắc tới mà không để ý đến giai đoạn cuối của quá trình sấy. Strommen (1986) đề xuất về phần hiệu suất nhiệt, là một thiết bị cho biết độ khử ẩm của không khí. CHƯƠNG III: XÂY DỰNG QUY TRÌNH SẤY ĐỐI VỚI MỘT SỐ LOẠI SẢN PHẨM NÔNG NGHIỆP 3.1 Ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng sản phẩm Tất cả các sản phẩm đều chịu biến đổi trong quá trình sấy và bảo quản sau đó. Yêu cầu đặt ra đối với quá trình sấy là bảo vệ tới mức tốt nhất chất lượng, hạn chế những hư hại trong quá trình sấy, bảo quản đồng thời nâng cao hiệu quả kinh tế một cách tối ưu nhất. Xét về cơ bản những thay đổi trong quá trình sấy có thể chia ra: Những thay đổi lý học: sứt mẻ, gãy, vỡ,… Những thay đổi hóa lý: trạng thái tính chất của những keo cao phân tử bị thay đổi. Những thay đổi hóa sinh: do sự oxi hóa của chất béo, phản ứng sẫm màu phi enzim, phản ứng enzim,… Những thay đổi do vi sinh vật Những thay đổi đó làm thay đổi cấu trúc màu sắc mùi vị, giá trị dinh dưỡng và có ảnh hưởng đến tính hồi nguyên của sản phẩm sau khi sấy. Các phương pháp sấy khác nhau có những ưu điểm và nhược điểm trong quá trình sấy các sản phẩm rau quả. Trong đó, phương pháp sấy nóng đáp ứng được các yêu cầu về năng suất, thời gian sấy nhưng lại không đáp ứng tốt các đòi hỏi về chất lượng sản phẩm. Ngược lại, đối với các sản phẩm sấy kén nhiệt đòi hỏi phải có quy trình sấy phù hợp hơn. Công nghệ sấy lạnh là một công nghệ mới được dùng để giải quyết các vấn đề không thể giải quyết đối với công nghệ sấy nóng. Từ nghiên cứu thực nghiệm đã chứng minh những ưu điểm vượt trội của công nghệ sấy lạnh trong quá trình xây dựng quy trình sấy đối với các loại rau củ quả có giá trị kinh tế khác nhau. Ý nghĩa: Bảo quản hiệu quả Hạn chế tổn thất sau thu hoạch Sử dụng thuận tiện 3.2 Sơ đồ công nghệ sấy rau quả Rau quả (phải thích hợp cho quá trình sấy) Làm sạch (khô, ướt) Lựa chọn phân loại (theo kích thước) Gọt sửa Cắt, thái (tùy theo yêu cầu) Chần, hấp (tùy theo yêu cầu) Xử lý hóa học (nếu cần) Chà Chà ép Sấy Sấy Cô đặc Làm nguội Làm nguội Cô đặc Sấy Phân loại Phân loại Phân loại Ép bánh Nghiền nhỏ Đóng gói Đóng gói Đóng gói Sản phẩm Sản phẩm dạng Sản phẩm dạng nguyên bản mỏng dạng bột 3.3 Các ảnh hưởng của quá trình sấy đến chất lượng sản phẩm 3.3.1 Ảnh hưởng đến cấu trúc Thay đổi về cấu trúc của các vật liệu rắn là một trong những nguyên nhân quan trọng làm giảm chất lượng sản phẩm. Bản chất và mức độ của các biện pháp xử lí rau quả trước khi sấy đều có ảnh hưởng đến cấu trúc của các sản phẩm sau khi hồi nguyên. Nguyên nhân là do sự hồ hóa của tinh bột, sự kết tinh của xenluloza và sự hình thành các sức căng bên trong do khác biệt về độ ẩm ở các vị trí khác nhau. Kết quả la sự tạo thành các vết nứt gãy, các tế bào bị nén ép vặn vẹo vĩnh viễn, làm cho sản phẩm có bề ngoài bị co ngót, nhăn nheo. Trong quá trình làm ướt trở lại sản phẩm hút nước chậm, không thể lấy lại hình dạng như ban đầu. Các sản phẩm khác nhau có sự dao động về mức độ co ngót và khả năng hấp thụ nước trở lại. Sấy nhanh ở nhiệt độ cao làm cho cấu trúc bị thay đổi nhiều hơn so với sấy với tốc độ vừa phải ở nhiệt độ thấp. Trong quá trình sấy, các chất hòa tan di chuyển theo nước từ bên trong ra bề mặt ngoài của sản phẩm. Quá trình bay hơi làm cô đặc các chất tan ở bề mặt, kết hợp với nhiệt độ không khí (đặc biệt khi sấy trái cây, cá, thịt,…) gây ra các phản ứng lý hóa phức tạp của các chất tan ở bề mặt ngoài nên lớp vỏ cứng không thấm được. Hiện tượng này gọi là hiện tượng cứng vỏ (case hardening), làm giảm tốc độ sấy và làm cho sản phẩm có bề mặt khô, nhưng bên trong thì ẩm. Vì vậy cần kiểm soát nhiệt độ sấy để tránh chênh lệch ẩm quá cao giữa bên trong và bề mặt sản phẩm. Đối với kỵ thuật sấy lạnh, do nhiệt độ sấy tương đối thấp nên hoàn toàn có thể giải quyết được vấn đề này. Hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ tương đối thấp cho nên quá trình khô của bề mặt vât liệu sẽ chậm hơn trong khi ẩm được lấy ra nhiều bằng sự chệnh lệch phân áp suất hơi ngoài bề mặt và bên trong vật liệu sấy. 3.3.2 Ảnh hưởng đến mùi vị Nhiệt độ làm thất thoát các thành phần dễ bay hơi ra khỏi sản phẩm vì vậy phần lớn các sản phẩm sấy bị giảm mùi vị. Mức độ thất thoát phụ thuộc vào nhiệt độ và độ ẩm của vật liệu sấy, áp suất hơi nước và độ hòa tan của các chất bay hơi trong nước. Nhưng sản phẩm có giá trị kinh tế cao nhờ vào đặc tính mùi vị (như gia vị) cần được sấy ở nhiệt độ thấp. Một số sản phẩm có kết cấu xốp tạo điều kiện cho oxi không khí dễ dàng tiếp xúc với sản phẩm, gây ra các phản ứng oxi hóa chất tan và chất béo trong quá trình bảo quản làm thay đổi mùi vị của sản phẩm. Tốc độ của quá trình gây hư hỏng phụ thuộc vào nhiệt độ bảo quản và hoạt độ của nước. Phần lớn rau quả chỉ chứa một lượng nhỏ lipit. Tuy nhiên, sự oxi hóa các chất béo không no tạo ra các hydroperoxit tham gia vào các phản ứng polime hóa, phản ứng tách nước hoặc oxi hóa để tạo thành aldehit, Kenton và các axit gây mùi ôi thui khó chịu. 3.3.3 Ảnh hưởng đến màu sắc Có nhiều nguyên nhân gây ra sự mất màu hay thay đổi màu trong sản phẩm sấy, như là: Sự thay đổi các đặc trưng bề mặt của sản phẩm gây ra sự thay đổi độ phản xạ ánh sang và màu sắc. Nhiệt và sự oxi hóa trong quá trình sấy gây ra những biến đổi hóa học đối với carotenoit và clorophyl, cũng như hoạt động của enzim polyphenoloxidaza gây nên sự sẩm màu trong quá trình bảo quản các sản phẩm rau quả. Có thể ngăn ngừa được những thay đổi này bằng các phương pháp chần hấp hoặc xử lý trái cây bằng axit ascorbic hoặc SO2. 3.3.4 Ảnh hưởng đến giá trị dinh dưỡng Các số liệu về sự thất thoát các chất dinh dưỡng của các tác giả thường không thống nhất, có thể do sự khác biệt đáng kể trong các quá trình chuẩn bị sấy, nhiệt độ và thời gian sấy, cũng như điều kiện bảo quản. Ở rau quả, thất thoát dinh dưỡng trong quá trình chuẩn bị thường vượt xa quá trình sấy. Ví dụ, thất thoát vitamin C trong quá trình chuẩn bị táo sấy (dạng khối) là 8% do quá trình cắt gọt, 62% do chần hấp, 10% do quá trình nghiền pu rê và 5% do quá trình sấy. Vitamin có độ hòa tan trong nước khác nhau và khi quá trình sấy diễn ra, một vài loại (ví dụ: vitamin B2 riboflavin) đạt trạng thái bão hòa và kết tủa khỏi dung dịch, nhờ vậy chúng ít bị tổn thương. Một số khác, ví dụ: axit ascorbic, hòa tan ngay cả khi độ ẩm của sản phẩm hạ xuống đến mức rất thấp, chúng phản ứng với các chất tan với tốc độ càng lúc càng cao hơn trong quá trình sấy. Vitamin C cũng rất nhạy cảm với nhiệt và oxy hóa. Vì thế để tránh những thất thoát lớn cần sấy trong thời gian ngắn, nhiệt độ thấp, bảo quản ở độ ẩm thấp và nồng độ khí oxi thấp. Thiamin (Vit B1) cũng nhạy cảm với nhiệt, tuy nhiên các vitamin khác hòa tan trong nước bền với nhiệt và oxy hóa hơn và tổn thất quá trình sấy hiếm khi vượt quá 5-10%, ngoại trừ thất thoát do quá trình chần hấp. Sự tổn thất các vitamin có thể hạn chế đáng kể hoặc ngăn ngừa hoàn toàn khi sử dụng các phương pháp sấy nhanh và ôn hòa (như sấy phun), đặc biệt bằng phương pháp sấy thăng hoa đối với các nguyên liệu nghiền nát, nguyên chất dạng cắt nhỏ. Các chất dinh dưỡng như chất béo (ví dụ: các axit béo không thay thế được và các vitamin A,D,E,K) phần lớn chứa trong phần chất rắn của sản phẩm và chúng không bị cô đặc trong khi sấy. Tuy nhiên nước là dung môi của các kim loại nặng, là những chất xúc tác của quá trình oxy hóa các chất dinh dưỡng không no. Khi nước bị mất, chất xúc tác trở nên hoạt động hơn và làm tăng tốc độ oxy hóa. Các vitamin tan trong chất béo bị biến đổi mất đi khi tiếp xúc với peroxit được sinh ra do sự oxy hóa chất béo. Để giảm thất thoát trong quá trình bảo quản người ta hạ thấp nồng độ oxy, nhiệt độ bảo quản và loại trừ ánh sang tiếp xúc với sản phẩm. Các giá trị sinh học và độ tiêu hóa của protein trong phần lớn các sản phẩm sấy không thay đổi đáng kể. Tuy nhiên protein của sữa sấy bị biến tính một phần trong quá trình sấy trục lăn và gây ra việc giảm độ tan của bột sữa làm mất khả năng kết cục. Sấy phun không ảnh hưởng đến giá trị sinh học của protein sữa. Nhiệt độ bảo quản cao và độ ẩm khoảng trên 5% làm giảm giá trị sinh học của protein sũa. Nhiệt độ bảo quản cao và độ ẩm khoảng trên 5% làm giảm giá trị sinh học của protein sữa do phản ứng Maillard giữa lyzin và lactoza. Lyzin nhạy cảm với nhiệt và thất thoát trong bột sữa nguyên kem vào khoảng 3-10% khi sấy phun và 5-40% khi sấy bằng trục lăn. 3.3.5 Ảnh hưởng đến sự hồi nguyên sản phẩm (rehydrarion) Sản phẩm sau khi sấy không thể trở lại tình trạng ban đầu khi làm ướt trở lại. Sau khi sấy, tế bào bị mất áp suất thẩm thấu, tính thẩm thấu của tế bào bị thay đổi, các chất tan di chuyển, polysacarit kết tinh và protein tế bào bị đông tụ, tất cả góp phần vào sự thay đổi cấu trúc, làm thất thoát các chất dễ bay hơi và đây đều là những quá trình không thuận nghịch. Nhiệt trong quá trình sấy làm giảm khả năng hydrat hóa tinh bột và tính đàn hồi của thành tế bào, làm biến tính protein, giảm khả năng giữ nước của chúng. Tốc độ và mức độ thấm nước trở lại có thể được dùng như chỉ số đánh giá chất lượng sản phẩm sấy. Những sản phẩm sấy trong những điều kiện tối ưu, ít hư hại hơn sẽ thấm ướt trở lại nhanh hơn, hoàn toàn hơn. CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY SẤY LẠNH 4.1 Thông số tính toán Mục đích tính toán nhiệt của quá trình là xác định tiêu hao không khí dung 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. 4.1.1 Nguyên lý của hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt Nguyên lý hoạt động của bơm nhiệt về cơ bản tương tự như máy lạnh bình thường, nó chỉ phân biệt ở mục đích sử dụng mà người ta phân loại bơm nhiệt và máy lạnh. Máy lạnh chỉ dùng nguồn lạnh ở thiết bị bay hơi để giảm nhiệt độ môi trường, còn bơm nhiệt lại sử dụng nguồn nhiệt ở dàn ngưng tụ. Nhưng về cơ bản hai loại đều bao gồm những thiết bị giống nhau, nhưng do yêu cầu về sử dụng nguồn nhiệt mà bơm nhiệt được dùng để cung cấp nguồn nhiệt cao hơn. 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. Tóm lại, 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 4.1: Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt sử dụng trong máy sấy lạnh Mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt được chế tạo tại Trường Đại học Công Nghiệp Tp Hồ Chí Minh 1: Máy nén 2: Dàn nóng 3: Khay để liệu 4: Bảng điều khiển 5: Dàn lạnh 6: Quạt 7: Tấm chắn 8: Khay đựng nước ngưng Hình 4.2: Mô hình máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt Đồ thị biểu diễn hoạt động máy sấy lạnh trên đồ thị không khí ẩm T-D 3-4: Quá trình làm lạnh tác nhân sấy đến nhiệt độ đọng sương. Điểm (0) là trạng thái không khí ở điều kiện môi trường, điểm (4) là 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 ở cuối giai đoạn giảm ẩm. 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. Tác nhân sấy có độ ẩm thấp đươc thổi qua vật liệu sấy sẽ thoát ẩm ra từ vật liệu và mang ra khỏi buồng sấy. Điểm (3) là trạng thái không khí sau buồng sấy. Có hai phương pháp tính toán: a) Trường hợp tác nhân sấy hồi lưu hoàn toàn Hình 4.3 Đồ thị t-d chế độ 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 4 được quạt hút trở về theo đường ống hồi lưu , sau đó qua dàn lạnh 5 giảm nhiệt độ đến nhiệt độ t2 (trạng thái 2) và đến nhiệt độ t3 (trạng thái 3), tại đây lượng nước ngưng tụ sẽ được dẫn ra ngoài. Tác nhân sấy sau khi tách ẩm tiếp tục đi qua dàn nóng 2, nâng nhiệt độ lên t4 (trạng thái 4), rồi đi qua buồng sấy, thực hiện quá trình sấy. Quá trình sấy lý thuyết được trình bày trên giản đồ t-d như sau: 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. 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. 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. Hình 4.4: Đồ thị I-d chế độ sấy hồi lưu hoàn toàn Xác định thông số của các điểm nút trên đồ thị quá trình sấy 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 hằng năm. Độ ẩm tương đối φ0 = 80% Phân áp suất hơi bão hòa của nước Dung ẩm của không khí (Lấy giá trị Pa = 0,993 bar) Entanpy của không khí ẩm I0 = 1,0048.t0 + d0(2500 +1,842.t0) = 1,0048.27 + 0,0183(2500 + 1,842.27)= 73,8 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 =24,50 C (Từ điểm O (270C, 86%) dóng đường d=const cắt đường φ=100%, ta xác định được ts) 2) Điểm 1 : Trạng thái không khí sau dàn lạnh Nhiệt độ : t1 = 8 0C. 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 = 100%. Phân áp suất bão hoà: Dung ẩm của không khí: 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 3) Điểm 2 : Tác nhân sấy được gia nhiệt (trạng thái không khí sau dàn nóng) Nhiệt độ: t2 = 350C. Phân áp suất bão hoà: 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) = 1,0048.35 + 0,00678.(2500 + 1,842.35) = 52,6 kJ/kgkk Độ ẩm tương đối: = = 0,192 = 19,2 % 4) Điểm 3 Nhiệt độ: để tránh hiện tượng đọng sương trong buồng sấy ta phải chọn nhiệt độ t3 > ts . Do vậy ta chọn t3 = 260C. Entanpy : I3 = I2 = 52,6 kJ/kgkk Phân áp suất hơi bão hòa Dung ẩm : 5) Điểm 4 Độ ẩm: = 100%. Dung ẩm: d4 = d3 = 0,0104 kg/kgkk Phân áp suất bão hoà: Pb4 = = = 0,0164 bar Nhiệt độ: t4 = = = 14,4 0C Entanpi: I4 = 1,0048.t4 + d4(2500 +1,842.t4) = 1,004.14,4 + 0,0104(2500 + 1,842.14,4) = 40,7 kJ/kgkk 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 Cà rốt. Độ ẩm đầu vào ω1 = 88,7% Độ ẩm cuối ω2 = 12% - 14%. Ở đây ta chọn độ ẩm trung bình của sản phẩm ω2 = 13%. Khối lượng riêng Hệ số truyền nhiệt Khối lượng sản phẩm trong một mẻ sấy theo thực nghiệm 7 kg/mẻ Ta có G2 = 7 kg/mẻ G1 = kg/mẻ Tốc độ sấy đẳng tốc Chọn vận tốc tác nhân sấy v =2,5m/s <5 m/s. Theo tài liệu ta có hệ số trao đổi nhiệt đối lưu : Mật độ dòng nhiệt Với : nhiệt độ tác nhân sấy, = 350C : nhiệt độ bề mặt vật liệu = tư= 24,50C hay 626400 kJ/m2h Cường độ bay hơi ẩm trên bề mặt vật liệu: Với r là nhiệt ẩn hóa hơi (theo giá trị áp suất) Với p=0,03166 bar thì ta có r =2442 (kj/kg) Tốc độ sấy đẳng tốc: Với : khối lượng riêng của Cà rốt, ==1035 (kg/m3) R: phân nửa kích thước vật liệu sấy Theo thực nghiệm khảo sát lấy R=2,5 mm Thời gian đốt nóng vật liệu: F0 chuẩn số Fure F0 = 1,6 R= 2,5.10-3 m a -hệ số dẫn nhiệt của vật liệu Trong đó: λ= 0,55 (w/m2K), ρ = 1035 (kg/m3), Cv = 3,87 (kJ/kgK) Thời gian sấy đẳng tốc Độ ẩm cân bằng ωcb=5 % (dựa trên thực nghiệm ta xác định độ ẩm cân bằng) ωd độ ẩm ban đầu cuả vật liệu ωd = 88,7% ωkx độ ẩm tới hạn của vật liệu ẩm Thời gian sấy giảm tốc Với ωd = 88,7 % Trong đó: ω2= 13 % Tổng thời gian sấy: Στ = τ0 + τ1 + τ2 = 0,073 + 3,47 +20,8 = 24,3 (h) Tính toán nhiệt quá trình Xác định lượng ẩm bốc hơi Dựa vào các thông số vật