Đề tài Giới thiệu về công nghệ sấy lạnh

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH KHÁI NIỆM VỀ BƠM NHIỆT LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA BƠM NHIỆT Bơm nhiệt có quá trình phát triển lâu dài, bắt đầu từ khi Nicholas Carnot đề xuất những khái niệm chung đầu tiên. Một dòng nhiệt thông thường di chuyển từ một vùng nóng đến một vùng lạnh, Carnot đưa ra lập luận rằng một thiết bị có thể được sử dụng để đảo ngược quá trình tự nhiên và bơm nhiệt sẽ điều chỉnh dòng nhiệt từ một vùng lạnh đến một vùng ấm hơn. Đầu những năm 1850, Lord Kelvin đã phát triển các lý thuyết về bơm nhiệt bằng cách lập luận rằng các thiết bị làm lạnh có thể được sử dụng để gia nhiệt. Các nhà khoa học và các kỹ sư đã cố gắng chế tạo ra một bơm nhiệt nhưng không một mô hình nào thành công cho đến giữa những năm 30 khi những bơm nhiệt sử dụng theo mục đích cá nhân được lắp đặt. Việc lắp đặt các bơm nhiệt gia tăng đáng kể sau thế chiến II, người ta nhận thấy rằng bơm nhiệt có thể được thương mại hóa nếu hoàn tất lý thuyết và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Sản phẩm bơm nhiệt đầu tiên được bán vào năm 1952. Từ khi xẩy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới. Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cở cho các ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị trường. Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa không khí, sấy, hút ẩm, đun nước… Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt: Hình 1.1 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt 1.2 HỆ THỐNG SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT 1.2.1 Giới thiệu về hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt Sự thay đổi môi trường trong những năm gần đây, đặc biệt những năm cuối thế kỉ rất đáng lo ngại. Những bước tiến nhanh chóng của khoa học và kỹ thuật, cùng với sự thay đổi toàn diện về lối sống của xã hội hiện đại, đã gây nên sự tổn hại to lớn đối với các nguồn tài nguyên cũng như đối với sự cân bằng sinh thái. Hiện tại, những yêu cầu đặt ra đối với nền văn minh hiện đại là việc thõa mãn nhu cầu ngày càng cao đối với các nguồn năng lượng đang cạn kiệt trên trái đất. Sự phát triển của kỹ thuật và nghiên cứu khoa học tự nhiên có thể sẽ mang lại câu trả lời thõa đáng nhất. Trọng tâm hiện nay là sự thay đổi dần dần theo hướng đòi hỏi đáp ứng cả vấn đề cân bằng sinh thái và môi trường sống. Sấy là một thiết bị hoạt động chủ yếu trong ngành thực phẩm - nông nghiệp, nó gây nên sự ô nhiễm rất lớn đối với môi trường. Việc khử từng phần hay toàn bộ nước từ vật liệu là rất phức tạp và yêu cầu một nguồn lượng năng lượng lớn. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này như thời gian chu trình, chất lượng sản phẩm, độ cảm nhiệt, vv... Kỹ thuật sấy có thể đáp ứng được cả yêu cầu về kinh tế và bảo vệ môi trường sống phát triển rất chậm bởi nhiều yếu tố. Việc ứng dụng nghiên cứu sử dụng bơm nhiệt trong quá trình sấy được chú ý, từ đó tìm ra các ứng dụng khác nhau của kỹ thuật sấy lạnh sử dụng để thay thế những phương pháp sấy truyền thống từ đó đem đến những lợi ích trong tương lại. Trong một máy sấy đối lưu không khí nóng, không khí được gia nhiệt lên đến nhiệt độ sấy (bằng cách sử dụng bộ gia nhiệt điện hoặc bộ gia nhiệt sử dụng nhiên liệu) để làm tăng tốc độ truyền nhiệt trong quá trình sấy. Điều này làm tăng áp suất hơi nước bên ngoài và tốc độ khuếch tán ẩm trong trong vật liệu theo hướng thoát ra bề mặt vật liệu, từ đó lượng ẩm này sẽ khếch tán vào trong dòng tác nhân sấy. Trong môi trường đối lưu, độ ẩm tuyệt đối của tác nhân sấy phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Việc sử dụng bơm nhiệt để hút ẩm trong quá trình sấy hoàn toàn có thể điều khiển hoàn toàn cả thành phần ẩm và nhiệt độ tác nhân sấy, cũng như lấy lại được nhiệt ẩn bay hơi của nước từ dòng thải. Bơm nhiệt có thể thay đổi nhiệt độ từ thấp đến cao, theo yêu cầu làm việc của thiết bị, từ đó nó có thể cung cấp các chế độ làm việc khác nhau. Loại bơm nhiệt phổ biến nhất hoạt động hoạt động theo một chu trình nén - hơi bao gồm các thiết bị chính: dàn bay hơi, máy nén, dàn ngưng tụ và van giãn nở (hình 1.2) Qh = Qc + W Tc < Th Hình 1.1: Nguyên lý truyền nhiệt của bơm nhiệt Dàn bay hơi Dàn ngưng tụ Máy nén Van giãn nở Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của một bơm nhiệt Quá trình truyền nhiệt thực hiện được thông qua sự thay đổi pha làm việc của môi chất lạnh. Môi chất lạnh trong giàn bay hơi hấp thụ nhiệt và bay hơi ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Khi hơi môi chất lạnh ngưng tụ ở nhiệt độ cao, áp suất cao tại dàn ngưng tụ, nó thải nhiệt ở áp suất cao hơn. Khi sử dụng trong quá trình sấy, hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt làm lạnh không khí của quá trình đến điểm bão hòa, và sau đó ngưng tụ nước (khử ẩm), do đó làm tăng khả năng sấy của không khí. Trong quá trình này chỉ tuần hoàn mức nhiệt thấp (nhiệt hiện và nhiệt ẩn) từ không khí. Cấu trúc của dàn bay hơi và dàn ngưng tụ được bố trí như hình vẽ (hình 1.3). Hình 1.3: Hai phương thức trao đổi nhiệt thông qua buồng sấy. Mũi tên lớn chỉ dòng tác nhân qua buồng sấy Trong trường hợp thứ nhất (hình 1.3a), máy sấy lạnh hoạt động vừa như một máy khử ẩm và một bộ gia nhiệt không khí. Trong cách bố trí thứ hai, dàn bay hơi được xen vào dòng không khí ẩm trong khi không khí sạch lại được đưa vào toàn bộ dàn ngưng tụ. Việc sắp xếp theo kiểu này, nhiệt ẩn (cùng với một lượng lớn nhiệt hiện) được hồi lưu bằng cách khử ẩm của khí thải và truyền cho không khí của quá trình thông qua dàn ngưng tụ. Mô hình này thích hợp khi không khí môi trường khô (độ ẩm tương đối thấp), nhưng nó lại không kinh tế trong quá trình sấy, bởi vì dòng khí thải tương tự như không khí bên trong. Trong cả hai mô hình trên, khí thải từ buồng sấy có thể được hồi lưu lại đi đến dàn bay hơi nghĩa là không khí có thể tuần hoàn toàn bộ hay từng phần. Bơm nhiệt bước đầu được nghiên cứu với tác dụng khử ẩm, nhưng sau cuộc khủng hoảng năng lượng những năm 70. Khả năng ứng dụng trong việc sấy nông sản phẩm ngày càng được chú ý đến nhiều hơn. Ứng dụng của bơm nhiệt trong nông nghiệp bắt đầu với việc sử dụng như thiết bị gia nhiệt. Những nghiên cứu và phát triển sau đó đã đạt được kết quả với việc phát triển quá trình sấy sử dụng bơm nhiệt. Bằng nhiều cách khác nhau, như là sử dụng một van điều chỉnh áp suất, trao đổi nhiệt, điều khiển lưu lượng dòng khí, thay đổi tốc độ máy nén,vv… được thực hiện tùy thuộc vào các yêu cầu thực tế, nguyên lý hoạt động máy sấy sử dụng bơm nhiệt. Trong thương mại việc sử dụng các máy sấy lạnh để sấy hỗ trợ đã được nhắc đến tại nhiều nước ở Châu Âu (NaUy, Pháp và Hà Lan), Châu Á và Autralia, ở đây công nghệ này được ứng dụng chủ yếu trong các quy trình chế biến thực phẩm. Việc sử dụng bơm nhiệt với quy mô rộng lớn vẫn chưa được cụ thể hóa trong nông nghiệp. Một trong những yếu tố cản trở việc sử dụng kỹ thuật này là chi phí đầu tư. Vì chi phí đầu vào cao và thời gian sử dụng ngắn, cho nên hiện nay các loại máy sấy khác vẫn chiếm ưu thế. Hơn nữa, các sản phẩm ra đời phải đảm bảo tính đổi lẫn và dễ sữa chữa, kỹ thuật sấy sử dụng bơm nhiệt có tiềm năng đáp ứng được các ứng dụng khác nhau trong môi trường sản xuất nông nghiệp. 1.2.1 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG SẤY LẠNH Khác với phương pháp sấy nóng, trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm. Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt ngoài của vật nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với không khí có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía bên trong vật. Nói khác đi, ở đây gradient nhiệt độ và gradient áp suất có cùng dấu nên gradient nhiệt độ không kìm hãm quá trình dịch chuyển ẩm như khi sấy nóng mà ngược lại, nó có tác dụng tăng cường quá trình dịch chuyển ẩm trong lòng vật ra ngoài để bay hơi làm khô vật. Khi đó ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn nhiệt độ môi trường hoặc cũng có thể nhỏ hơn 0oC. Hình1.5: Sơ đổ hệ thống sấy lạnh 1.2.1.1 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 0oC a. Hệ thống sấy thăng hoa Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn biến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa. Để tạo ra quá trình thăng hoa, vật liệu sấy phải được làm lạnh dưới điểm ba thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu t < 00C và áp suất tác nhân sấy bao quanh vật p < 620 Pa. Từ đó, vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng để ẩm từ trạng thái rắn thăng hoa thành thể khí và vào môi trường. Như vậy, trong các hệ thống sấy thăng hoa phải tạo được chân không trong vật liệu sấy và làm lạnh vật xuống dưới 0oC. Ưu điểm: Phương pháp gần như bảo toàn được chất lượng sinh, hóa học của sản phẩm bao gồm: màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính,… Nhược điểm: Chi phí đầu tư cao, phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh (để kết đông sản phẩm và làm ngưng kết hơi nước) Hệ thống cồng kềnh nên vận hành phức tạp, chi phí vận hành và bảo dưỡng lớn. Sấy thăng hoa thường được ứng dụng để sấy sản phẩm quý, dễ biến chất do nhiệt như: máu, vắc xin,… b. Hệ thống sấy chân không Phương pháp sấy chân không là phương pháp tạo ra môi trường gần như chân không trong buồng sấy, nghĩa là nhiệt độ vật liệu t 610 Pa. Khi nhận được nhiệt lượng, các phần tử nước trong vật liệu sấy ở thể rắn sẽ chuyển sang thể lỏng, sau đó mới chuyển sang thể hơi và đi vào môi trường. Ưu điểm: Phương pháp này giữ được chất lượng sản phẩm, đảm bảo điều kiện vệ sinh. Nhược điểm: Hệ thống có chi phí đầu tư lớn, vận hành phức tạp. Phương pháp sấy chân không thường chỉ sấy các loại vật liệu sấy là các sản phẩm quý, dễ biến chất. Do tính phức tạp và không kinh tế nên các hệ thống sấy thăng hoa và hệ thống sấy chân không chỉ dùng để sấy những vật liệu quí hiếm, không chịu được nhiệt độ cao. Vì vậy, các hệ thống sấy này là những hệ thống sấy chuyên dùng, không phổ biến. 1.2.1.2 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 0oC Với những hệ thống sấy mà nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ nhiệt độ môi trường, tác nhân sấy thường là không khí được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm hấp phụ, sau đó nó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến các nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu sấy. Khi đó do phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bé hơn phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy mà ẩm từ dạng lỏng bay hơi đi vào tác nhân sấy. Như vậy, quy luật dịch chuyển ẩm trong lòng vật và từ bề mặt vật vào môi trường trong các hệ thống sấy lạnh loại này hoàn toàn giống như trong các hệ thống sấy nóng. Điều khác nhau ở đây là cách giảm pam bằng cách đốt nóng tác nhân sấy (d = const) để tăng áp suất bão hoà dẫn đến giảm độ ẩm tương đối φ. Trong khi đó, với các hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ tác nhân sấy bằng nhiệt độ môi trường thì ta sẽ tìm cách giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy pam bằng cách giảm lượng chứa ẩm d kết hợp với quá trình làm lạnh (sau khử ẩm bằng hấp thụ) hoặc đốt nóng (sau khử ẩm bằng lạnh). Ưu điểm: Năng suất hút ẩm của phương pháp này khá lớn. Khả năng giữ chất lượng, hàm lượng dinh dưỡng sản phẩm cũng khá tốt (phụ thuộc vào nhiệt độ sấy). Nhược điểm: Chi phí đầu tư ban đầu khá lớn do phải sử dụng cả máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh Chất hút ẩm phải thay thế theo định kì Vận hành khá phức tạp nên chi phí vận hành lớn Điện năng tiêu tốn lớn do cần chạy máy lạnh và đốt nóng dây điện trở để hoàn nguyên chất hấp thụ. Lắp đặt phức tạp, khó điều chỉnh các thông số để phù hợp với công nghệ Trong môi trường có bụi, cần dừng máy để vệ sinh chất hấp thụ, tuổi thọ thiết bị giảm. b. Phương pháp dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp Trong phương pháp này, người ta chỉ dùng một hệ thống bơm nhiệt để tạo ra môi trường sấy. Nhiệt độ môi trường sấy có thể điều chỉnh trong giới hạn khá rộng từ nhiệt độ xấp xỉ môi trường đến nhiệt độ âm, tùy thuộc yêu cầu của vật liệu sấy. Khác với các thiết bị nhiệt lạnh khác, khi sử dụng bơm nhiệt để sấy khô và hút ẩm thì cả dàn nóng và dàn lạnh đều được sử dụng hữu ích nên năng suất tiêu thụ ở đây có thể được tận dụng đến mức cao nhất mà nhiệt độ không khí lại có thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ môi trường hoặc thấp hơn. Ưu điểm: Khả năng giữ màu sắc, mùi vị và vitamin đều tốt Tiết kiệm năng lương nhờ sử dụng cả năng lượng dàn nóng và dàn lạnh, hiệu quả sử dụng nhiệt cao Bảo vệ môi trường, vận hành an toàn. Có khả năng điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy tùy thuộc vào yêu cầu và khả năng chịu nhiệt của từng loại sản phẩm nhờ thay đổi công suất nhiệt của dàn ngưng trong Công suất khá lớn Chi phí đầu tư hệ thống thấp hơn so với các phương pháp sấy lạnh khác Vận hành đơn giản. Nhược điểm: Thời gian sấy thường khá lâu do độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy không lớn. Phải có giải pháp xả băng sau một thời gian làm việc. 1.3 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Việc sử dụng bơm nhiệt trong công nghiệp cũng như dân dụng để sấy, sưởi, hút ẩm, điều hòa không khí,… đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trên thế giới. Sau đây là tổng quan một số công trình nghiên cứu: 1.3.1 Các tác giả trong nước Tác giả Phạm Văn Tùy và các công sự đã tiến hành nghiên cứu và đã ứng dụng thành công hệ thống bơm nhiệt để sấy lạnh kẹo Jelly, kẹo Chew, Caramel, kẹo Cứng… tại công ty bánh kẹo Hải Hà. Năm 1997, 1998 các tác giả đã thiết kế lần lượt hai hệ thống lạnh theo nguyên lý bơm nhiệt nhiệt độ thấp kiểu môđun. Để sấy kẹo Jelly với năng suất 1100 kg/ngày và 1400 kg/ngày hiện nay vẫn còn được sử dụng cho phòng sấy lạnh số 2 và số 3 Nhà máy thực phẩm Việt Trì- Công ty cổ phần bánh kẹo Hải Hà. Thông số nhiệt độ không khí buồng sấy 22-280C, độ ẩm 30-40%. Sơ đồ nguyên lý hệ thống như hình vẽ: Một hệ thống máy hút ẩm hỗ trợ cho dây chuyền sản xuất kẹo Caramem của Cộng Hòa Liên Bang Đức cải tạo từ máy điều hòa không khí cũ cho phân xưởng kẹo caramem và hệ thống bơm nhiệt hút ẩm công suất lạnh 120.000 Btu/h sử dụng 4 máy lạnh Trane TTK 530 công suất mỗi máy là 30.000 Btu/h hiện nay đang sử dụng cho phòng bao gói kẹo cứng thuộc Xí nghiệp Công ty CP Bánh kẹo Hải Hà đã được lắp đặt từ năm 1999. Qua thực tế sử dụng, thấy rằng ngoài ưu điểm rẻ tiền (giảm khoảng 50% vốn đầu tư) và tiết kiệm năng lượng (điện năng tiêu thụ giảm gần 50%) so với phương án dùng máy hút ẩm, các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh này hoạt động ổn định, liên tục và giảm chi phí bảo dưỡng. Tuy nhiên, nó còn có nhược điểm là cồng kềnh, sử dụng nhiều quạt và động cơ xen kẽ, trong hệ thống nhiều bụi bột nên phải bảo dưỡng động cơ lại phải thực hiện trong không gian hẹp, khó thao tác. Để khắc phục những nhược điểm trên năm 2005 nhóm tác giả đã thiết kế chế tạo máy sấy lạnh cho phòng sấy lạnh số 1 theo nguyên lý bơm nhiệt kiểu nguyên khối BK-BSH18A. So với công nghệ dùng các bơm nhiệt kiểu mô đun thì BK-BSH18A có thiết bị xử lý không khí được chế tạo dạng tổ hợp gọn có thể đặt ngoài nhà, trong nhà hay trong buồng sấy và tốc độ không khí có thể thay đổi để phù hợp với yêu cầu của vật liệu sấy khác nhau. Việc sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp để hút ẩm và sấy lạnh có nhiều ưu điểm và rất có khả năng ứng dụng rộng rãi trong điều kiện khí hậu nóng ẩm phù hợp với thực tế tại Việt Nam, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật đáng kể. Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những sản phẩm cần giữ trạng thái, màu, mùi, chất dinh dưỡng và không cho phép sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ gió lớn. Các hệ thống hút ẩm và đặc biệt là các hệ thống sấy lạnh có cấu trúc luôn thay đổi phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu sấy, cấu trúc của dàn lạnh sử dụng, … nên không có một cấu trúc chung cho tất cả các đối tượng sấy, tuy nhiên vẫn có chung nguyên tắc và phương pháp tính toán thiết kế. Do đó, cần phải tiếp tục những nghiên cứu cơ bản, đầy đủ về các quá trình, các giới hạn kỹ thuật và các vấn đề tự động điều chỉnh không chế liên hoàn nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy cũng như của vật liệu sấy. 1.3.2 Các tác giả nước ngoài Macio N. Kohayakawa và các công sự đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như: vận tốc gió Var, chiều dày của vật liệu L đến hệ số khuếch tán quá trình sấy Def trong hệ thống sấy xoài bằng bơm nhiệt. Môi chất lạnh sử dụng trong hệ thống là R22. Hệ thống sấy xoài sử dụng hai dàn ngưng trong để gia nhiệt cho không khí. Nhiệt độ không khí trong quá trình thí nghiệm thay đổi từ 40oC đến 56oC. Vận tốc gió thay đổi từ 1,6 m/s đến 4,4 m/s, chiều dày vật liệu sấy thay đổi từ 5,8 mm đến 14,2 mm. Khối lượng vật liệu sấy ở mỗi mẽ là 300g, thời gian sấy là 8h/mẻ. Dựa vào các quan hệ lý thuyết tính toán hệ số khuếch tán, sử dụng phương pháp quy hoạch trực giao và kết hợp với số liệu thực nghiệm, các tác giả đã xây dựng được phương trình hồi qui xác định hệ số khuếch tán Def như sau: Def=4,2625 - 0,61922.Var + 0,380538.Var2 + 1,012517.L – 0,90343.Var.L (1.1) Phương trình (1.1) cho thấy rằng ảnh hưởng đồng thời của hai thông số cũng như mức độ ảnh hưởng của chúng đến hệ số khuếch tán Def. Ở đây, ảnh hưởng của tốc độ gió Var là lớn nhất, sau đó đến chiều dày của vật liệu sấy. Phương trình (1.1) cũng cho biết ảnh hưởng lẫn nhau giữa hai thông số thông qua mối liên hệ chéo nhau giữa chúng. Tuy nhiên, phương trình này không đề cập đến ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm sấy mặc dù ảnh hưởng của chúng là lớn đến hệ số khuếch tán. Điều này cũng được chính tác giả khẳng định trong nghiên cứu của mình. Do vậy, cần có những nghiên cứu đánh giá về ảnh hưởng của các yếu tố này. Phani K.Adapa, Greg J.Schoenau và Shahab Sokhansanj đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình sấy bằng bơm nhiệt đối với các vật liệu đặc biệt. Các tác giả đã tiến hành thiết lập các quan hệ tính toán lý thuyết quá trình sấy lớp mỏng. Các tác giả đã thiết lập phương trình cân bằng năng lượng, cân bằng chất, truyền nhiệt và truyền ẩm giữa vật liệu và không khí cho một phân tố thể tích vật liệu sấy như sau: Phương trình truyền ẩm: (1.2) Trong đó: M : độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy tại thời điểm t Me : độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy, được xác định bằng thực nghiệm t : thời gian sấy, s k : hằng số sấy [1/s], được xác định như sau: (1.3) Giải phương trình (1.2) ta xác định được độ ẩm của vật liệu khi sấy tại thời điểm t như sau: (1.4) Với M0 : độ ẩm của vậ liệu sấy tại thời điểm t0 = 0 Phương trình cân bằng chất: (1.5) Với: W - độ chứa hơi của không khí x – chiều dày của vật liệu sấy Gp – lưu lượng vật liệu sấy chuyển động qua băng tải, kg/m.s Ga – lưu lượng không khí chuyển động qua băng tải, kg/m2.s y – quãng đường dịch chuyển của vật liệu sấy, m Giải phương trình (1.5), thu được công thức xác định sự thay đổi của độ chứa hơi W theo chiều dày vật liệu sấy (giả thiết tính chất của vật liệu sấy là đồng đều theo phương dịch chuyển y): (1.6) Phương trình cân bằng năng lượng: (1.7) Trong đó: Ta : nhiệt độ của không khí sấy, 0C Tg : nhiệt độ của vật liệu sấy, 0C hcv : hệ số truyền nhiệt thể tích, kJ/m3.ph.K Cpa : nhiệt dung riêng của không khí khô, kJ/kgK Cpw : nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kgK Giải phương trình (1.7), xác định được nhiệt độ không khí tại đầu ra: Với: Ta0 – Nhiệt độ không khí tại vị trí ban đầu x0 = 0, 0C Phương trình truyền nhiệt: Trong đó: Lg: nhiệt ẩn hóa hơi của nước trong vật liệu sấy, kJ/kg Cpg: Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, kJ/kgK Cpl: nhiệt dung riêng của nước, kJ/kgK Giải phương trình (1.9) ta sẽ tìm được sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu sấy: ở đây: 1.4 ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT VÀ TRUYỀN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH SẤY LẠNH Trong kỹ thuật sấy lạnh, thế sấy của không khí tăng nhờ quá trình tách ẩm ở dàn bốc hơi và quá trình gia nhiệt bằng chính dàn ngưng tụ trong các máy lạnh. Yếu tố có tính quyết định ở đây là quá trình làm lạnh không khí trong dàn lạnh, từ đây sẽ nhận được không khí có nhiệt độ và độ chứa hơi (d) nhỏ đảm bảo cho quá trình truyền nhiệt, truyền chất giữa vật sấy và tác nhân sấy trong buồng sấy xẩy ra ở điều kiện gradient nhiệt độ và gradient áp suất cùng chiều, không có giai đoạn nào xẩy ra hiệu ứng Luikov A.V. cản trở quá trình sấy như trong phương pháp sấy nóng. Vì vậy, ngoài việc tính toán, thiết kế hệ thống nói chung thì điều tối cần thiết là chế độ làm việc của dàn lạnh hay nói cách khác là khả năng tối ưu nhất của dàn lạnh có tầm quan trọng đặc biệt. Trong kỹ thuật sấy lạnh, để tăng cường tách ẩm cho hệ thống, không khí sấy trải qua giai đoạn tách ẩm ở dàn lạnh, vì thể ẩm trong không khí có thể tồn tại ở ba dạng hơi, lỏng và rắn, với dung ẩm ở dạng hơi dh, dạng lỏng dl và dạng rắn dr, entanpi H của không khí ẩm: H= tb + (2500+1,93tb)dh + 4,18d1tb + (-335+2,1 tb)dr , kJ/kgkk (1.11) Trong quá trình khử ẩm ở dàn lạnh, chiều dài đường đi của dòng không khí là yếu tố có tính quyết định, theo đó mà lưu lượng thể tích không khí cũng như công suất nhiệt - trao đổi sẽ thay đổi, không khí được làm lạnh đến nhiệt độ điểm sương ts. Trên một đơn vị dài quan hệ truyền nhiệt, truyền chất này có thể biểu diễn dưới dạng: Trong đó c’ – nhiệt dung riêng thể tích của không khí ẩm ở nhiệt độ khí quyển (c =1,23 kJ/m3K). r – Nhiệt ngưng tụ (r=2500 kJ/kg đối với hơi nước ở 00C). - là nước ngưng theo đường (ứng với 1m3 không khí ẩm khi nhiệt độ giảm đi 1K) và thay đổi nhanh qua nhiệt độ theo biểu thức: (1.13) Trong đó: Ph: áp suất hơi bão hòa của hơi nước tương ứng với nhiệt độ của không khí ẩm. Hằng số R đối với hơi nước trong không khí ẩm: R=8314/18=861,89 J/kgK Mặt khác có thể tính nhiệt lượng do không khí truyền cho môi chất lạnh tương ứng với mỗi đơn vị dài của thiết bị bay hơi bơm nhiệt: Với K1 là hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi [W/mK]. Từ các cơ sở trên ta có quan hệ: (1.15) với Là thông số đặc trưng cho công suất của thiết bị bốc hơi của bơm nhiệt (thường khoảng 1kJ/m3K), X[m] là chiều sâu của thiết bị bốc hơi, X0 [m] là khoảng cách từ đầu thiết bị vào thiết bị bốc hơi đến điểm xuất hiện quá trình ngưng đọng ẩm, Ts là nhiệt độ đọng sương, các chỉ số 1 và 2 là kí hiệu đầu vào và ra của không khí qua thiết bị bốc hơi. 1.5 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP SẤY RAU QUẢ VỚI PHƯƠNG PHÁP SẤY LẠNH Sấy là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật. Tuy nhiên, sấy là một quá trình công nghệ đòi hỏi sau khi sấy, vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn năng lượng ít và chi phí vận hành thấp. Có hai phương pháp sấy: 1.5.1 Phương pháp sấy nóng Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy và vật liệu sấy được đốt nóng. Do tác nhân sấy được đốt nóng nên độ ẩm tương đối φ giảm dẫn đến phân áp suất hơi nước pam trong tác nhân sấy giảm. Mặt khác do nhiệt độ của vật liệu sấy tăng lên nên mật độ hơi trong các mao quản tăng và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật cũng tăng theo công thức: φ = = exp (1.16) Trong đó: Pr - áp suất trên bề mặt cột mao dẫn, N/m2 Po - áp suất trên bề mặt thoáng, N/m2 Δ - Sức căng bề mặt thoáng,N/m2 - mật độ hơi trên cột dịch thể trong ống mao dẫn, kg/m3 - mật độ dịch thể, kg/m3 Như vậy trong hệ thống sấy nóng có hai cách để tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường: Giảm phân áp suất của hơi nước trong tác nhân sấy bằng cách đốt nóng. Tăng phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy. Tóm lại, nhờ đốt nóng cả tác nhân sấy và vật liệu sấy hoặc chỉ đốt nóng vật liệu sấy mà hiệu số giữa phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật Phb và phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy Ph tăng lên dẫn đến quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường. Do đó, hệ thống sấy nóng thường được phân loại theo phương pháp cung cấp nhiệt: Hệ thống sấy đối lưu: Vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể nóng mà thông thường là không khí nóng hoặc khói lò. Hệ thống sấy đối lưu gồm: hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động…. Hệ thống sấy tiếp xúc: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng. Như vậy trong hệ thống sấy tiếp xúc, người ta tạo ra độ chênh lệch áp suất nhờ tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy. Hệ thống sấy tiếp xúc gồm: hệ thống sấy lô, hệ thống sấy tang… Hệ thống sấy bức xạ: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để dẫn ẩm dịch chuyển từ lòng vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường. Ở đây người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường bằng cách đốt nóng vật. Hệ thống sấy dùng dòng điện cao tần hoặc dùng năng lượng điện từ trường: Khi vật liệu sấy đặt trong môi trường điện từ thì trong vật xuất hiện các dòng điện và chính dòng điện này sẽ đốt nóng vật. Ưu điểm của phương pháp sấy nóng: Thời gian sấy bằng các phương pháp sấy nóng ngắn hơn so với phương pháp sấy lạnh. Năng suất cao và chi phí ban đầu thấp. Nguồn năng lượng sử dụng cho phương pháp sấy nóng có thể là khói thải, hơi nước nóng, hay các nguồn nhiệt từ dầu mỏ, than đá, rác thải,... cho đến điện năng. Thời gian làm việc của hệ thống cũng rất cao. Nhược điểm Chỉ sấy được các vật sấy không cần có các yêu cầu đặc biệt về nhiệt độ. Sản phẩm sấy thường hay bị biến màu và chất lượng không cao. 1.5.2 Phương pháp sấy lạnh Trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy Ph nhờ giảm độ chứa ẩm d. Mối quan hệ đó được thể hiện theo công thức: Ph = (1.17) Trong đó: B - áp suất môi trường (áp suất khí trời). Khi đó, ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường có thể trên dưới nhiệt độ môi trường (t > 0 oC) và cũng có thể nhỏ hơn 0 oC. 1.5.3 So sánh phương pháp sấy lạnh và phương pháp sấy nóng Các loại rau củ thực phẩm và dược liệu như cà rốt, củ cải, hành lá, dứa, mít, nhãn, măng cụt, hành tây, hỗn hợp dịch ép gừng và bột avicel,… đã được sấy thử nghiệm với khoảng thông số nhiệt độ sấy t = 250C đến 400C, tốc độ gió . Màu sắc, mùi vị, hàm lượng chất dinh dưỡng và trạng thái vật sấy được bảo toàn hơn hẳn các công nghệ sấy nóng truyền thống, ngay cả khi so sánh với kỹ thuật sấy hiện đại bằng tia hồng ngoại. Dưới đây là bảng so sánh các phương pháp sấy khác nhau với phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp của Viện Công Nghệ Thực Phẩm, sở Công Nghiệp Hà Nội. Bảng1.1: Đánh giá so sánh chất lượng sản phẩm sấy bằng bơm nhiệt sấy lạnh với phương pháp sấy nóng truyền thống và sấy hồng ngoại Thứ tự Phương Pháp sấy Chỉ tiêu so sánh Sấy nóng Sấy thăng hoa và chân không Sấy lạnh sử dụng máy hút ẩm kết hợp máy lạnh 1 Chất lượng sản phẩm (màu sắc, mùi vị, vitamin) Kém hơn rất nhiều Tốt hơn Bằng nhau 2 Giá thành sản phẩm Thấp hơn Đắt hơn nhiều Đắt hơn 3 Thời gian sấy Ngắn hơn Ngắn hơn Lớn hơn hoặc bằng 4 Chi phí đầu tư ban đầu Thường thấp hơn Cao hơn nhiều Cao hơn 5 Chi phí vận hành, bảo dưỡng Thường rẻ hơn Đắt hơn nhiều Đắt hơn 6 Khả năng điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy theo yêu cầu công nghệ Khó hơn Khó hơn Khó hơn 7 Vệ sinh an toàn thực phẩm Thường kém hơn Tốt hơn Bằng nhau 8 Bảo vệ môi trường Thường kém hơn Như nhau Kém hơn 9 Phạm vi ứng dụng Rộng hơn Hẹp hơn Hẹp hơn Kết luận: So với sấy lạnh sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hơp máy lạnh: Sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp tỏ ra ưu thế vượt trội về chi phí đầu tư ban đầu, giảm tiêu hao điện năng. Do vậy, với điều kiện của Việt Nam thì nên dùng phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp. Trong thực tế, ở một số nhà máy nhập dây chuyền công nghệ sấy sử dụng máy hút ẩm chuyên dụng kết hợp với máy sấy không đạt hiệu quả và đã chuyển sang dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp. So với sấy thăng hoa và sấy chân không: Chất lượng sản phẩm của hai phương pháp này thường tốt hơn sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp nhưng các chỉ tiêu quan trong 2 và 5 lại kém hơn nên chỉ áp dụng hai phương pháp này khi yêu cầu về chất lượng sản phẩm rất cao (chỉ tiêu 1, 7), còn lại nên sử dụng phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp. So sánh với sấy nóng Nhìn chung, có một số vật liệu sấy lạnh không có hiệu quả như sấy gỗ, các loại hoa quả có vỏ dày thì buộc phải sử dụng sấy nóng. Đối với các vật liệu còn lại, nếu vật liệu sấy nhạy cảm với nhiệt, dễ mất màu, dễ mất mùi, chất dinh dưỡng, giá thành sản phẩm được thị trường chấp nhận và thời gian sấy không đòi hỏi phải nhanh thì nên sấy bằng phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp. Như vậy, phương pháp sấy lạnh bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp tỏ ra có hiệu quả, nhất là đối với một số sản phẩm đặc thù (nhạy cảm với nhiệt độ) Do đó, tùy vào từng trường hợp cụ thể, xem xét các chỉ tiêu trong bảng trên, chỉ tiêu nào là quan trọng thì quyết định phương pháp sấy phù hợp 1.6 HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH Ưu điểm của công nghệ sấy lạnh là có thể xây dựng được từng quy trình công nghệ sấy hợp lý đối với từng loại rau, củ, quả. Sau khi sấy, nông sản, thực phẩm giữ được nguyên màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dưỡng thất thoát không đáng kể (khoảng 5%), đạt tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm của Việt Nam và các chỉ tiêu kỹ thuật, chất lượng sản phẩm tương đương một số nước khác trên thế giới. Việt Nam là một nước có khí hậu nóng ẩm, vì thế máy sấy lạnh là công nghệ đặc biệt phù hợp với các loại nông sản, thực phẩm, đảm bảo được chất lượng cũng như hàm lượng dinh dưỡng, màu sắc, mùi vị cho sản phẩm. Đối với các sản phẩm như củ cà rốt, thì là, hành hay các loại kẹo chocolate, kẹo Caramen, Jelly... Môi trường chế biến những sản phẩm này yêu cầu về nhiệt độ không được quá cao và độ ẩm phải nhỏ hơn 45-50%. Tính mới của công nghệ này là quá trình sấy được thực hiện ở nhiệt độ thấp, tạo môi trường nhiệt độ cùng chiều với môi trường độ ẩm để tăng cường độ sấy. Ngoài ra, công nghệ này có nhiều ưu điểm kỹ thuật khác như: hút ẩm nhưng không làm tăng nhiệt độ môi trường như máy hút ẩm thông thường, sấy khô được các sản phẩm không cho phép làm khô trong môi trường nhiệt độ cao. CHƯƠNG II: ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH TRONG CÔNG NGHIỆP CHẾ BIẾN RAU QUẢ VIỆT NAM 2.1 ĐẶC TRƯNG CỦA NỀN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Việt Nam là một nước nông nghiệp có điều kiện khí hậu đa dạng với nhiều vùng tiểu khí hậu: ôn đới và nhiệt đới, có thể trồng và thu hoạch rau quả quanh năm. Với việc thay đổi về tổ chức, quản lý kinh tế, trong 10 năm trở lại đây ngành nông nghiệp của Việt Nam phát triển tương đối mạnh mẽ. Song vấn đề tiêu thụ các sản phẩm rau quả hiện nay đang gặp nhiều khó khăn, trở ngại. Tỷ lệ tổn thất sau thu hoạch là rất lớn: 25 – 30%. Nguyên nhân chính là do công nghệ chế biến và bảo quản của chúng ta còn lạc hậu nên đã làm cho rau quả của Việt Nam có giá trị thấp trong thị trường trong nước cũng như xuất khẩu, điều này ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống của người nông dân, vì vậy việc nghiên cứu đưa ra các quy trình công nghệ cũng như ứng dụng triển khai - chuyển giao các kết quả nghiên cứu, các quy trình công nghệ bảo quản hay chế biến rau quả, đóng vai trò hết sức quan trọng trong chiến lức phát triển ngành rau quả. Hiện nay, việc phổ biến những kiến thức khoa học và chuyển giao các kết quả nghiên cứu chưa tương xứng với vai trò và tiềm năng của nó. Rau quả hiện nay vẫn chủ yếu được sử dụng ở dạng tươi, mà như đã biết rau quả là loại sản phẩm có tính thời vụ, thời gian thu hoạch ngắn, khả năng vận chuyển và bảo quản hạn chế, trong khi kỹ thuật bảo quản rau quả tươi vẫn chỉ dựa vào các kinh nghiện cổ truyền, mang tính thủ công chấp vá. Các kinh nghiệm truyền thống trong bảo quản quả như dùng cát, vôi, đào hầm cũng kéo dài thời gian bảo quản, nhưng hiệu quả không cao (do thời gian bảo quản ngắn và chất lượng không đảm bảo), không giải quyết được vấn đề điều hòa việc phân phối và tiêu thụ sản phẩm cũng như chế biến. Nhiều nơi người nông dân không nắm bắt được các biện pháp kỹ thuật chăm sóc, hạn chế hư hỏng trong giai đoạn trước khi thu hoạch, cho nên sản phẩm cho chất lượng xấu. Điều này làm giảm giá trị của sản phẩm cũng như ảnh hưởng tới khả năng tồn trữ sau thu hoạch. Việc xác định thời điểm thu hái, cách thu hái cũng là vấn đề quan trọng, bởi vì việc này không chỉ làm tăng giá trị thương phẩm trong việc tăng khả năng bảo quản rau quả sau khi thu hoạch. Nhìn chung, công nghiệp chế biến rau quả của Việt Nam còn nhỏ bé, chưa tương xứng với tiềm năng sản xuất rau quả; sức cạnh tranh còn thấp, chủng loại sản phẩm còn đơn điệu, giá thành cao chưa đáp ứng được nhu cầu của thị trường trong và ngoài nước. 2.2 CÁC NGUYÊN LÝ CHUNG BẢO QUẢN RAU QUẢ Kỹ thuật bảo quản thực phẩm con người biết được bắt nguồn từ tự nhiên. Trong vùng lạnh, nhiệt độ thấp giúp giữ được chất lượng trong thời gian dài cho những thực phẩm dễ bị hư hỏng. Không chỉ có vậy, vùng nóng ánh sáng mặt trời chiếu xuống làm khô những loại thực phẩm dễ hư hỏng như các loại rau quả. Các sản phẩm khô cũng có thể giữ được trong thời gian dài hơn. Trong thời gần đây, có nhiều công nghệ bảo quản thực phẩm đươc đưa ra dựa trên nền tảng khoa học đúng đắn. Kết quả, công nghiệp bảo quản thực phẩm ngày nay có thể là ngành công nghiệp rộng lớn nhất trên thế giới. 2.2.1 Những nguyên nhân gây hư hỏng rau quả Nói chung thực phẩm được coi như là hư hỏng khi chúng tự thối hỏng hoặc bị làm thối hỏng. Thức phẩm được coi là không có giá trị vì lý do vệ sinh mà không cần phân loại hư hỏng. Thực phẩm bị hư hỏng có thể do một hoặc nhiều nguyên nhân. Sự phát triển và hoạt động của vi sinh vật. Thông thường, vi khuẩn làm cho thực phẩm hư hỏng một cách liên tục. Côn trùng, các loài gặm nhấm hoặc các động vật khác. Hoạt động của enzyme có sẵn trong cây, vi khuẩn hoặc động vật trong thực phẩm. Các phản ứng hóa học mà không cần xúc tác của các enzyme trong mô tế bào động vật, thực vật hoặc các vi sinh vật khác. Thay đổi tính chất vật lý do các nguyên nhân: cháy, sấy khô, áp suất, làm lạnh đông,… Phân loại thực phẩm dựa vào tính ổn định và mức độ thối hỏng. Các thực phẩm khó hỏng (không dễ hỏng nếu được bảo quản đúng cách: đường, bột, đậu khô,…). Các thực phẩm tương đối dễ hỏng nếu sử dụng và bảo quản không đúng cách (khoai tây, quả có vỏ cứng,…). Các thực phẩm dễ hỏng (các thực phẩm này dễ hư hỏng trừ khi được bảo quản đúng cách bằng các phương pháp đặc biệt (thịt, sữa và hầu hết các loại rau) 2.2.2 Các nguyên tắc bảo quản rau quả Bảo quản thực phẩm bằng nhiều phương pháp khác nhau, có 3 nguyên tắc chính gồm: Ức chế hoặc ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm. Ức chế hoặc ngăn ngừa sự tự thối hỏng của thực phẩm. Ngăn ngừa những nguyên nhân gây hại như côn trùng, chuột bọ, chim, hóa chất,… Bảng 2.1: Các nguyên tắc bảo quản thực phẩm và rau quả 1 Ức chế ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm Ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm bằng cách vô trùng thực phẩm. Ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng bằng cách loại bỏ vi sinh vật. Ức chế vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm bằng cách cản trở sự sinh trưởng và hoạt động của chúng. Ngăn ngừa vi sinh vật gây thối hỏng thực phẩm bằng cách tiêu diệt vi sinh vật. 2 Ức chế hoặc ngăn ngừa sự tự thối hỏng của thực phẩm. Ức chế hoặc ngăn ngừa thực phẩm tự hỏng bằng cách phá hủy hoặc vô hoạt các enzyme có trong thực phẩm. Ức chế hoặc ngăn ngừa thực phẩm tự hư hỏng bằng cách ức chế hoặc ngăn ngừa các phản ứng hóa học trong thực phẩm. 3 Ngăn ngừa những nguyên nhân gây hại như côn trùng, chuột bọ, chim chóc, hóa chất,… 2.3 CÔNG NGHỆ LÀM KHÔ NÔNG SẢN Những biến đổi hóa, lý trong quá trình bảo quản nông sản phẩm Bất kì một loại nông sản phẩm nào, trong thành phần của nó đều có chứa các nhóm hợp chất hữu cơ như protein, gluxit, lipid, vitamin, axit hữu cơ và các chất khoáng, các sắc tố v.v… với tỷ lệ khác nhau. Do đó muốn bảo quản tốt từng loại sản phẩm cần nghiên cứu kỹ thành phần hóa học và những biến đổi của nó dưới tác động của các nhân tố bên ngoài. Thông thường trong thành phần của chúng có chứa những hợp chất sau: a) Nước Tuyệt đại đa số nông sản phẩm đều có chứa một lượng nước nhất định, nó thay đổi tùy theo hình thái giải phẩu và trạng thái keo ưa nước trong tế bào sản phẩm. Có những loại chứa nhiều nước như rau quả tươi chứa 65-95% nước, hạt lương thực chứa tương đối ít hơn từ 11-20%. Nhưng nhìn chung trong tế bào các loại nông sản phẩm đều có chứa các dạng nước sau đây: (theo phân loại của viện sĩ P.A Rebinde) Nước liên kết hóa học: Được đặc trưng bằng quan hệ định lượng rất chính xác giữa sản phẩm và nước. Đây là loại liên kết rất bền vững. Ví dụ: Na3CO3.3H2O. Nếu muốn tách lượng nước này phải bằng cách đem nung lên hoặc bằng các tương tác hóa học khác. Nước liên kết hóa lý: Kết hợp với vật liệu không theo một tỷ lệ nhất định. Nó bao gồm có nước hấp thụ, nước thẩm thấu, nước cấu trúc. Muốn tách lượng nước này ra cần tiêu hao một năng lượng để biến nó thành thể hơi. Dạng nước này kém bền hơn. Nước liên kết cơ học: Loại này kết hợp với sản phẩm không theo một lượng nhất định, chính là lượng nước tự do trong sản phẩm đây là dạng kém bền vững nhất. Nó được chuyển dịch trong sản phẩm ở dạng thể lỏng. Muốn tách ra phải bằng cách sấy khô ở nhiệt độ 105oC. Hàm lượng nước trong sản phẩm cao hay thấp có ảnh hưởng lớn đến chất lượng và khả năng bảo quản của chúng. Đối với những sản phẩm có hàm lượng nước cao, việc bảo quản khó khăn hơn vì nước chính là một môi trường thuận lợi để vi sinh vật hoạt động, làm cho chất lượng sản phẩm bị giảm xuống b) Những hợp chất có Nitơ và sự biến đổi trong quá trình bảo quản Protein là hợp chất chứa Nitơ chủ yếu trong nông sản phẩm và nó là thành phần dinh dưỡng chủ yếu của những sản phẩm có hạt. Nó có giá trị dinh dưỡng cao. Các loại sản phẩm khác nhau, hàm lượng protein chứa trong chúng khác nhau. Lúa chứa 7-10%, ngô 10-12%, cao lương 10-13%, đậu Hà Lan 22-26%, đậu tương 36-42%, càrốt 2% các loại quả chỉ dưới 1% (Tất cả tính theo % trọng lượng chất khô). Trong thành phần protein có mặt đầy đủ các nhóm: albumin, prolamin, glutein, globulin. Trong albumin có chứa các axít amin không thay thế Prolamin cứ nhiều trong các cây hòa thảo, đặc biệt thành phần protein chứa trong hạt ngô thì nhóm này chủ yếu chiếm tới 50% đó là zein của ngô. Globulin có chứa nhiều trong hạt có dầu, hạt cây họ đậu như đậu tương, protein trong đậu tương. Protein trong đậu tương có đủ 8 axit amin không thay thế. Glutelin cũng là protein đặc trưng của hạt cây hòa thảo, đặc bệt người ta chú ý tới gluten của lúa mì. Ở rau quả hàm lượng protein rất ít, chỉ chiếm khoảng 1-2%, thường chủ yếu ở các loại rau cao cấp như suplơ, càrốt, khoai tây… tuy vậy nó có giá trị dinh dưỡng rất cao. Trong quá trình bảo quản, nói chung Nitơ tổng số hầu như không thay đổi hoặc thay đổi rất ít, nhưng Nitơ protein hòa tan thay đổi khá nhiều, chúng phân giải thành các axit amin làm cho hàm lượng axit amin tăng lên. Do đó lượng Nitơ protein giảm xuống và Nitơ phiprotein trong quá trình này cũng tăng lên một cách rõ rệt. Trong những công trình nghiên cứu của Gasiorowski về hạt lúa mì bảo quản ở trạng thái tươi ẩm trong các kho kín hoàn toàn, ông đã phát hiện thấy sự tăng lên của hàm lượng Nitơ phiprotein sau 15 tuần lễ bảo quản. Theo những số liệu nghiên cứu về bảo quản khoai tây khô (Trần Minh Tâm 1979-1983) thấy rằng hàm lượng Nitơ tổng số thay đổi rất ít trong quá trình bảo quản, hàm lượng Nitơ protein và phiprotein biến động nhiều hơn. Hàm lượng Nitơ protein giảm đi một cách rõ rệt theo thời gian bảo quản, từ đó tỉ lệ giữa Nitơ protein/Nitơ phi protein giảm xống tương ứng.) Theo tài liệu của Mori (1944) phát hiện thấy rằng trong thời gian cất giữ, đối với các loại cây ngũ cốc họ đậu, hạt của bong, thì Nitơ protein giảm, còn Nitơ phiprotein tăng lên, liên kết S-H giảm và có thể chuyển thành S-S. Sự thay đổi này, một mặt là do hô hấp oxy và một mặt là do tác dụng của mem. Sự chuyển hóa các chất có Nitơ trong sản phẩm còn phụ thuộc vào phương pháp bảo quản khác nhau. Đối với rau quả nếu dùng C2H4 để bảo quản, có thể thúc đẩy sự tăng của hàm lượng Nitơ protein, còn nếu dùng CO2 để bảo quản thì lại giảm. Trong điều kiện bảo quản thoáng, quá trình phân giải Nitơ protein mạnh hơn bảo quản kín và đối với hạt giống có tinh bột thì quá trình này mạnh hơn hạt giống thường. 2.3.2 Công nghệ làm khô vật liệu sấy Với tính chất là một đối tượng sấy, ta có thể chia nông sản Việt Nam ra làm mấy dạng sau: Dạng hạt: lúa, ngô, các loại đậu, lạc và cà phê,... Dạng củ: khoai lang, sắn, khoai tây, cà rốt, củ cải,... Khi sấy các nông sản loại này thường tiến hành dưới dạng lát hoặc sợi. Dạng quả: chuối, mơ, mận,... Khi sấy nông sản loại này người ta thường sấy nguyên cả quả hoặc chỉ bóc vỏ (như chuối). Dạng rau, lá: su hào, chè, thuốc lá, các loại rau thơm,... Các dạng nông sản loại này thường được sấy nguyên dạng (thuốc lá) hoặc băm nhỏ (bắp cải). Dạng tinh bột hay nhũ tương hoặc purê. Đây là những chế phẩm từ nông sản. Sấy các sản phẩm này thường dùng các loại sấy phun hoặc sấy tầng sôi. Một số tính chất của rau quả liên quan đến quá trình sấy Trong quá trình sấy rau quả xẩy ra một loạt biến đổi hóa sinh, hóa lý, cấu trúc cơ học và các biến đổi bất lợi khác, làm ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm. Những biến đổi cơ học bao gồm sự biến dạng, nứt, cong queo, biến đổi độ xốp... Sự thay đổi hệ keo do pha rắn (protein, tinh bột, đường,..) bị biến tính thuộc về những biến đổi hóa lý. Những biến đổi hóa sinh trong quá trình sấy là những phản ứng tạo thành melanoidin, caramen, những phản ứng ôxy hóa và polyme hóa các hợp chất polifenol, phân hủy vitamin và biến đổi chất màu. Hàm lượng vitamin trong rau quả sấy thường thấp hơn trong rau quả tươi vì chúng bị phá hủy một phần trong quá trình sấy và xử lý trước khi sấy. Trong các vitamin thì axit ascobic và caroten bị tổn thất là do quá trình ôxy hóa. Riboflavin nhạy cảm với ánh sáng, còn thiamin bị phá hủy bởi nhiệt và sự sunfit hóa. Duy trì màu xanh tự nhiên của clorofil liên quan trực tiếp đến sự bảo tồn magiê trong phân tử chất màu. Trong điều kiện nóng ẩm, nhất là có sự tham gia của môi trường axit, clorofil biến thành pheophitin có màu sẫm do mất magiê. Khi sấy, caritionit bị biến đổi, nhiệt độ sấy càng cao và thời gian sấy càng dài thì sắc tố này càng bị biến đổi mạnh. Antoxian cũng bị biến đổi trong quá trình sấy và khi xử lý SO2 thì nó bị bạc màu. Trong quá trình sấy, rau quả thường bị chuyển sang màu nâu đen do phản ứng giữa đường khử và các axit amin hoặc do sự khử nước của đường dưới tác dụng của nhiệt độ, do pirocatexin bị oxy hóa hay bị trùng hợp. Để tránh hoặc làm chậm các biến đổi không thuận nghịch ấy, cũng như tạo điều kiện để ẩm thoát ra khỏi rau quả một cách dễ dàng, cần có chế độ sấy thích hợp cho từng loại sản phẩm. Nhiệt độ sấy càng cao thì tốc độ sấy càng nhanh, quá trình càng có hiệu quả cao. Nhưng không thể sử dụng nhiệt độ sấy cao cho sấy rau quả vì rau quả là sản phẩm chịu nhiệt kém: Trong môi trường ẩm, nếu nhiệt độ cao hơn 60oC thì protein đã bị biến tính; trên 90oC thì fructoza bắt đầu bị caramen hóa, các phản ứng tạo ra melanoidin, polime hóa các hợp chất cao phân tử xảy ra mạnh. Còn ở nhiệt độ cao hơn nữa, rau quả có thể bị cháy Vì vậy, để sấy rau quả thường dùng chế độ sấy ôn hòa, nhiệt độ sấy không quá cao. Lý thuyết sấy rau quả Sấy rau quả thông thường được thực hiện ở 3 dạng chủ yếu: dạng nguyên (hoặc miếng); dạng bản mỏng và dạng bột hoặc nhũ tương. Tuỳ theo dạng sản phẩm, công nghệ sấy rau quả có sơ đồ chung như sau: Rau quả tươi sau khi rửa sạch được loại bỏ phần không đủ tiêu chuẩn, được phân cỡ theo kích thước, làm sạch, cắt miếng. Sau đó rau quả được chần (hấp), xử lý hoá chất. Tiếp theo, các hình thức sản phẩm khác nhau được chế biến theo các sơ đồ khác nhau. Trong khi chần (hấp), do tác dụng của nhiệt và ẩm nên tính chất hoá lý của nguyên liệu bị biến đổi có lợi cho sự thoát nước khi sấy. Đồng thời vi sinh vật bị tiêu diệt và hệ thống enzim trong nguyên liệu bị mất hoạt tính, hạn chế tối đa khả năng biến màu trong khi sấy rau quả và rút ngắn thời gian sấy. Ngoài ra quá trình chần làm giảm độ hút ẩm của rau quả khô. Trong công nghiệp sấy rau quả, để ngăn ngừa quá trình oxy hoá làm biến màu rau quả khi sấy, người ta sử dụng các chất chống oxy hoá như axit sunfurơ, axit ascobic, axit xitric và các muối natri của axit Sunfurơ (như sunfit, bisunfit, metabisunfit, ...) để xử lý hoá chất cho rau quả trước khi sấy. Yếu tố tác động nhiều đến chất lượng sản phẩm rau quả khô là nhiệt độ sấy, nhiệt độ sấy càng cao thì tốc độ sấy càng nhanh, quá trình càng có hiệu quả cao, nhưng không thể sử dụng nhiệt độ cao cho rau quả vì rau quả là sản phẩm chịu nhiệt kém: trong môi trường ẩm, nếu nhiệt độ cao hơn 600C thì Protein đã bị biến tính; Trên 90oC thì fructoza bắt đầu bị caramen hoá, các phản ứng tạo ra melanoidin, polime hoá các chất cao phân tử xảy ra mạnh. Còn ở nhiệt độ cao hơn nữa, rau quả có thể bị cháy. Do vậy để sấy rau quả cần dùng chế độ ôn hoà, nhiệt độ sấy không quá cao. Ở đây, bằng thiết bị sấy chân không, dưới điều kiện chân không thấp, nhiệt độ hóa 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 lý, các giá trị ẩm đầu vào nguyên liệu và ẩm đầu ra của sản phẩm ta xác định: Khối lượng sản phẩm trong một mẻ là 7 kg/mẻ Ta có G2 = 7 kg/mẻ G1 = (kg/mẻ) Như vậy ta có tỉ lệ thành phẩm là 1: 8 Lượng ẩm bốc hơi trong một mẻ sấy là: (kg/mẻ) Thời gian sấy chọn τ = 24,3 (h) theo kết quả tính toán ở trên Lượng ẩm bay hơi trong 1 giờ (kg/h) 2. Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm Lưu lượng không khí khô tuần hoàn trong quá trình sấy Llt = W.l0 = 46,9.276,24 = 12955,7 kgkk/mẻ 3. Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp cho quá trình sấy để làm bay hơi 1 kg ẩm qlt = = = 7596,7 kJ/kga Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp để sấy 1 mẻ: Qlt = W.qlt = 46,9.7596,7 = 356285 kJ Năng lượng tiêu hao cho quá trình sấy: Q0 lt = kW Lượng ẩm ngưng tụ: dlt = d3 –d2 = 0,0104 – 0,00678 = 0,00362 kga 4. Lượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm qll lt = l0.(I3 – I1) = 276,24.(52,6 – 25,1) = 7596,6 J/kga Lượng nhiệt dàn lạnh thu được: Qll lt = W.qll lt = 46,9.7596,6 = 356280,5 kJ Tính toán kích thước buồng sấy Vật liệu sấy là Cà rốt, do tính chất của vật liệu sấy không thể sử dụng phương pháp sấy động ảnh hưởng nhiều đến chất lượng, màu sắc của sản phẩm, do đó ta lựa chọn phương pháp sấy tĩnh. Thể tích buồng sấy: Các kích thước cơ bản là: Chiều dài L, chiều rộng B, chiều cao H. Trong đó, chiều dài L xác định theo thời gian sấy và năng suất sấy. Đối với thiết bị sấy buồng chiều dài xác định theo yêu cầu duy trì chế độ sấy đồng đều. Chiều dài càng lớn, chế độ sấy càng kém đồng đều nhưng càng tận dụng được nhiệt của môi chất. Vì vậy cần chọn hợp lý, tiết diện buồng F= B x H, m2 được xác định theo điều kiện thông gió. Năng suất buồng sấy: G1 = 53,9 kg/mẻ Thể tích buồng sấy: Thể tích hữu dụng Vh = , m3 Trong đó: : Khối lượng riêng của vật liệu sấy, = 1035 kg/m3 KV: Hệ số điền đầy. KV = (0,40,5). Ta chọn KV = 0,4 Thay vào ta tính được Thể tích toàn bộ buồng sấy: V = Vh + V, m3 Trong đó: V - Thể tích của các khảng trống của kênh gió và các không gian đặt quạt và các thiết bị sấy, m3. Theo kinh nghiệm ta chọn V= (30 40%)V. Ta chọn V = 0,4.V = 0,4.0,13 = 0,052 m3 Vậy thể tích buồng sấy là: V = 0,182 m3 Với V đã tính toán được, ta chọn các kích thước của buồng sấy: Dài Rộng Cao là: LBH = 0,750,70,35 (m3) Xây dựng quá trình sấy thực tế trên đồ thị I-d L, I 1 , d 1 G cv. C vc .t m2 Q 5 G 2 .C m .t m2 (G 2 C n +WC m ). t m1 THIẾT BỊ SẤY Q Q bs L, I 3' , d 3' G vc. C vc .t m1 4.3.1 Cân bằng nhiệt cho quá trình sấy thực tế Phương trình cân bằng nhiệt cho thiết bị sấy: Q + Qbs + WCntm1 + G2Cmtm1 + LI1 + Gvc.Cvctm1 = G2Cmtm2 + Q5 + LI3 + Gvc.Cvc.tm2 Q + Qbs = L(I3 – I1) + G2Cm(tm2 – tm1) + Q5 – WCn.tm1 + Gvc.Cvc.(tm2 – tm1) Q + Qbs = Q2 + Qm + Q5 + Q1 + Qvc (*) Trong đó : Q - Nhiệt lượng cung cấp để gia nhiệt tác nhân sấy Qbs - Nhiệt lượng bổ sung Do không dùng thiết bị gia nhiệt cho không khí sau dàn nóng nên Qbs = 0 Q1 = - WCmtm1 - Nhiệt hữu ích do ẩm mang vào G2Cm.(tm2 – tm1) = Qm - Nhiệt lượng tổn thất do vật liệu sấy mang ra Q5 - Nhiệt tổn thất ra môi trường theo kết cấu bao che Gvc.Cvc.(tm2 – tm1) = Qvc - Nhiệt lượng tổn thất theo thiết bị vận chuyển Q2 = L(I3 – I1) - Nhiệt tổn thất do tác nhân sấy Chia 2 vế (*) cho W và bỏ qua Qbs Ta có: q = q1 + q2 + qvc + q5 + qm Mà q = l(I3 - I1) hay q = l(I3 – I1) = l(I3 – I1) + qv +q5 – Cntm1 Hay q = l(I3 – I1) = Cntm1 - ( qvc + q5 + qm) Đặt Cntm1 - (qvc + q5 + qm) = D - Tổn thất nhiệt để làm bay hơi 1 kg ẩm. Suy ra l(I3 – I1) = D hay I3 = I1 + D/l ∆= nhiệt lượng bổ sung – nhiệt lượng tổn thất chung 4.3.2 Tính toán tổn thất nhiệt ∆ a) Tính nhiệt tổn thất qua kết cấu bao che ra môi trường Nhiệt độ bên ngoài buồng sấy: tf = t0 = 27 0C Nhiệt độ bên trong buồng sấy: tf2 = Buồng sấy có tường làm bằng thép có chiều dày 3 mm. Tra bảng phụ lục, ta có hệ số dẫn nhiệt l = 46 W/mK Nhiệt tổn thất ra môi trường được tính theo công thức Q5 = K.F.Dt , (W) Trong đó: F - Diện tích xung quanh của buồng sấy, m2 Buồng sấy là hình hộp có các thông số: LBH = 0,750,70,35 (m3). Ta tính tổng diện tích xung quanh của buồng sấy: F = 2(L.B + L.H + B.H) = 2(0,75.0,7 + 0,75.0,35 + 0,7.0,35) = 2,065 (m2) Dt - Độ chênh nhiệt độ bên trong và bên ngoài buồng sấy , 0C Dt = tf2 - tf1 = 30,5 – 27 = 3,5 0C K - Hệ số truyền nhiệt , W/m2K K = Với: a1, a2 - hệ số toả nhiệt từ tác nhân sấy đến vách trong buồng sấy và hệ số toả nhiệt từ vách ngoài tới không khí bên ngoài , W/m2K. Để xác định a1, a2 ta dùng phương pháp lặp Giả thiết tw1 = 34,4 0C (nhiệt độ vách trong của tường ), ta có phương trình cân bằng nhiệt: q = a1(tf1 -tw1) = (tw1-tw2) = a2(tw2 - tf2) Với tốc độ tác nhân sấy trong buồng sấy đã chọn = 2,5 m/s (tốc độ không khí < 5 m/s) nên ta có: Hệ số toả nhiệt a1 được xác định theo công thức kinh nghiệm sau: a1 = 6,15 + 4,17. = 6,15 + 4,17.2,5 = 16,6 W/m2K Vậy mật độ dòng nhiệt truyền qua q = a1(tf1 - tw1) = 16,6 (35 – 34,5 ) = 8,3 (W/m2) Nhiệt độ vách ngoài tường được xác định theo công thức: tw2 = tw1 - q. = 34,5 – 8,3. = 34,49 0C Nhiệt độ định tính: Tra bảng thông số không khí với tm = 30,75 0C ta có các thông số sau: l = 2,67.10-2 W/m2K; g = 18,64.10-6 m2/s; Pr = 0,7 - Tiêu chuẩn Grashoft : Gr = Ta có Gr.Pr = 0,70.1,508.108 = 1,06.108 thuộc khoảng (2.107 – 1.1013) => Ta có: C = 0,135, n = 0,33 - Công thức tính Nusselt: Nu = C= 0,135.(1,06.108)0,33 = 60,07 - Hệ số toả nhiệt: Suy ra q’ = a2(tw2 - tf2) = 2,13.(34,5 -30,5) = 8,52 W/m2 - So sánh q và q’ Sai số này rất nhỏ nên các kết quả tính trên có thể chấp nhận được Vậy, hệ số truyền nhiệt: K = Hay - Nhiệt tổn thất ra môi trường trong 1giây là Q5 = 1,9.0,245.3,5 = 1,63 J/s - Nhiệt tổn thất ra môi trường trong quá trình sấy: Q5 = 1,63.24,3.3600 =142,6 kJ Vậy * Tổn thất nhiệt do vật liệu sấy mang đi qm Qm = G2.Cm(tm2 – tm1), kJ Trong đó: Cm = 3,87 kJ/kgK – Nhiệt dung riêng của Tỏi Nhiệt độ vật liệu sấy vào: tm1 = t0 = 27 0C Nhiệt độ vật liệu sấy ra: tm2 = tf2 = 30,5 0C Vậy nhiệt tổn thất do vật liệu sấy mang đi: Qm= 7.3,87.(30,5– 27) = 94,8 kJ Suy ra: * Tổn thất nhiệt để làm nóng khay sấy qvc Khay sấy được làm bằng nhôm có bề dày 3,5 mm. Ta có thông số của nhôm là: CAl = 0,86 kJ/kg; = 2700 kg/m3. Với diện tích đã tính toán, ta chọn khay sấy có F = LB = 070,35 = 0,245 m2. Số khay sấy là n = 5 khay. Vậy tổng diện tích khay sấy là Fk = F.n = 0,245.5 = 1,225 m2 Khối lượng nhôm để làm khay sấy GAl = V. = Fk.. = 1,225.0,0035.2700 = 11,6 kg Nhiệt tổn thất Qvc = GAl.CAl(tm2 – tm1) = 11,6.0,86.(30,5–27) = 35 kJ Vậy * Nhiệt hữu ích do ẩm mang vào q1 q1 = - Cn.tm1 Trong đó: Cn - Nhiệt dung riêng của nước, Cn = 4,18 kJ/kgaK Vậy: q1 = - 4,18.27 = -112,9 kJ/kga Ta có: Δ =112,9 – (3,04 + 2,02 + 0,7) = 107,14 kJ/kga ∆ > 0. Quá trình sấy thuộc dạng mà nhiệt lượng bổ sung không đủ bù nhiệt lượng tổn thất. Đồ thị I-d Do = 107,14> 0 nên điểm 3’ trong quá trình sấy thực tế sẽ nằm bên trái điểm 3 Đồ thị I-d trong trường hợp sấy thực tế được biểu thị như sau: d 3' =d 4' d 1 =d 2 1 t 1 4' 4 t 2 I, kJ/kg kkk 2 3' 3 2 d, kg/kg kkk t 0 t 3 0 =100 % 0 3 Điểm 0: Trạng thái không khí ngoài trời. Điểm 1: Trạng thái không khí sau dàn lạnh. Điểm 2: Trạng thái không khí sau dàn nóng. Điểm 3’: Trạng thái không khí sau thiết bị sấy trong trường hợp sấy thực tế. Điểm 4’: Trạng thái không khí trong dàn lạnh trong trường hợp sấy thực tế. 1-2: Quá trình gia nhiệt trong dàn nóng. 2-3’: Quá trình sấy thực tế trong thiết bị sấy. 3’-4’-1: Quá trình làm lạnh không khí và ngưng tụ ẩm trong dàn lạnh trong trường hợp sấy thực tế. 4.3.2 Tính toán quá trình sấy thực tế a) Thông số tại các điểm nút của đồ thị 1) Điểm 0, 1, 2 Thông số tại các điểm 0, 1, 2 không thay đổi so với quá trình sấy lý thuyết. 2) Điểm 3’ - Nhiệt độ: t3’ = t3 = 260C - Độ chứa ẩm d3’ của quá trình sấy thực: Ta có I3’ = I2 + = I2 + .(d3’ – d2) (với I3’= 1,004.t3’ + d3’(2500 + 1,842.t3’) = 1,004.26 + d3’(2500 + 1,842.26) = 26,104 + 2547,9,2.d3’ I2 = 52,6 kJ/kgkkk; d2 = 0,00678 kg/kgkk (Theo quá trình sấy lý thuyết) Ta suy ra được d3’=kg/kgkk - Entanpi: I3’ = 52,6 + 107,14.(0,01086 - 0,00678) = 53,04 kJ/kgkk - Độ ẩm: == 50,4 % 4) Điểm 4’ Độ ẩm: φ4 = 100%. Dung ẩm: d4’ = d3’ = 0,01086 kg/kgkk Phân áp suất bão hoà: Pb4’ = Nhiệt độ t4 = 0C Entanpi: Thay các giá trị t4,d4 vào công thức (4.3) ta có: I4 = 1,004.15 + 0,01086(2500 + 1,842.15) = 42,5 kJ/kgkk Tính toán nhiệt quá trình sấy thực tế * Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm: ltt = = 245,1 kgkk/kga * Lưu lượng không khí tuần hoàn trong quá trình sấy Ltt = W.ltt = 46,9.245,1 = 11495,2 kg/mẻ * Lưu lựợng không khí tuần hoàn trong 1 giây: Gkk = = 0,131 kg/s * Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp cho quá trình sấy để làm bay hơi 1 kg ẩm: qtt = = = 6740,2 kJ/kga * Nhiệt lượng dàn nóng cung cấp để sấy 1 mẻ: Qtt = W.qtt = 46,9.6740,2= 316115,4 kJ * Năng suất nhiệt dàn nóng cung cấp để sấy: Qk tt = = 3,61 kW * Lượng ẩm ngưng tụ: dtt = d3’ –d2 = 0,01086 – 0,00678 = 0,00408 kga * Lượng nhiệt thu được từ ngưng tụ 1kg ẩm: q0 tt = ltt.(I3’ – I1) = 245,1.(53,04 – 25,1) = 6848,1 kJ/kga * Lượng nhiệt dàn lạnh thu được: Q0 tt = W.qll tt = 46,9.6848,1 =321175,6 kJ * Năng suất lạnh dàn lạnh cung cấp để làm lạnh: kW CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BƠM NHIỆT 5.1 Các thành phần cơ bản của bơm nhiệt 5.1.1 Môi chất và cặp môi chất Môi chất và cặp môi chất của bơm nhiệt có yêu cầu như máy lạnh. Một vài yêu cầu đặc biệt hơn xuất phát từ nhiệt độ sôi và ngưng tụ cao hơn, gần giống như chế độ nhiệt độ cao của điều hòa không khí, nghĩa là cho đến may người ta vẫn sử dụng các loại môi chất như: R12, R22, R502 và MR cho máy nén tuabin. Gần đây người ta chú ý đến việc sử dụng các môi chất mới cho bơm nhiệt nhằm nâng cao nhiệt độ dàn ngưng như: R21, R113, R114, R12B1, R142… 5.1.2 Máy nén lạnh Cũng như máy nén lạnh, máy nén là bộ phận quan trọng nhất của bơm nhiệt. Tất cả các dạng máy nén của máy lạnh đều được ứng dụng trong bơm nhiệt. Đặc biệt quan trọng là máy nén piston trượt, máy nén trục vít và máy nén tuabin. Một máy nén bơm nhiệt cần phải chắc chắn, tuổi thọ cao, chạy êm và cần phải có hiệu suất cao trong điều kiện thiếu hoặc đủ tải. 5.1.3 Các thiết bị trao đổi nhiệt Các thiết bị trao đổi nhiệt cơ bản trong bơm nhiệt là thiết bị bay hơi và ngưng tụ. Máy lạnh hấp thụ có thêm thiết bị sinh hơi và hấp thụ. Giống như máy lạnh, thiết bị ngưng tụ và bay hơi của bơm nhiệt cũng bao gồm các dạng: ống chùm, ống lồng ngược dòng, ống đứng và ống kiểu tấm. Các phương pháp tính toán cũng giống như chế độ điều hoà nhiệt độ. Thiết bị phụ của bơm nhiệt Tất cả các thiết bị phụ của bơm nhiệt giống như thiết bị phụ của máy lạnh. Xuất phát từ yêu cầu nhiệt độ cao hơn nên đòi hỏi về độ tin cậy, công nghệ gia công thiết bị cao hơn. Đây cũng là vấn đề đặt ra đối với dầu bôi trơn và đệm kín các loại trong hệ thống. Do bơm nhiệt phải hoạt động ở chế độ áp suất và nhiệt độ gần sát với giới hạn tối đa nên các thiết bị tự động rất cần thiết và phải hoạt động với độ tin cậy cao để phòng hư hỏng thiết bị khi chế độ làm việc vượt quá giới hạn cho phép. Đối với van tiết lưu, bơm nhiệt có chế độ làm việc khác máy lạnh nên cũng cần có van tiết lưu phù hợp. Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt là những thiết bị hổ trợ cho bơm nhiệt phù hợp với từng phương án sử dụng của nó. Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt gồm một số loại sau: Các phương án động lực của máy nén như: động cơ điện, động cơ gas, động cơ diesel hoặc động cơ gió… Các phương án sử dụng nhiệt thu ở dàn ngưng tụ. Nếu là sưởi ấm thì có thể sử dụng dàn ngưng trực tiếp hoặc gián tiếp qua một vòng tuần hoàn chất tải nhiệt, có thể sử dụng để sấy, nấu ăn, hút ẩm…Mỗi phương án đòi hỏi những thiết bị hổ trợ khác nhau. Các phương án cấp nhiệt cho dàn bay hơi. Trường hợp sử dụng dàn lạnh đồng thời với nóng thì phía dàn bay hơi có thể là buồng lạnh hoặc chất tải lạnh. Ngoài ra còn có thể sử dụng dàn bay hơi đặt ngoài không khí, dàn bay hơi sử dụng nước giếng là môi trường cấp nhiệt. Còn có những phương án như dàn bay hơi đặt ở dưới nước, đặt ở dưới đất hoặc sử dụng năng lượng mặt trời. Các thiết bị điều khiển, kiểm tra tự động sự hoạt động của bơm nhiệt và các thiết bị hổ trợ. Đây là những thiết bị tự động điều khiển các thiết bị phụ trợ ngoài bơm nhiệt để phù hợp với hoạt động của bơm nhiệt. 5.2 Chọn môi chất nạp Môi chất của bơm nhiệt cũng có yêu cầu như đối với máy lạnh. Ngày nay, người ta vẫn dùng loại môi chất như: R12, R22, R502, R21, R113, R114… Do hệ thống bơm nhiệt làm việc ở nhiệt độ cao nên ta cần chọn môi chất nhiệt có nhiệt độ sôi cao. So sánh khả năng ứng dụng rộng rãi và ưu điểm nổi bật của các môi chất nhiệt ta chọn R22 làm môi chất lạnh cho bơm nhiệt. 5.3 Nhiệt độ ngưng tụ Dàn ngưng của bơm nhiệt có nhiệm vụ gia nhiệt cho không khí nên môi trường làm mát dàn ngưng chính là tác nhân sấy. Gọi - tw2 là nhiệt độ không khí ra khỏi dàn ngưng. Theo yêu cầu thì tw2 = 35 0C - là hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu Đối với dàn ngưng giải nhiệt bằng gió, = (10 – 15 0C). Ta chọn = 10 0C. Khi đó, nhiệt độ ngưng tụ của môi chất là: tk = tw2 + = 35 + 10 = 45 0C 5.3.1 Nhiệt độ bay hơi Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh có thể lấy như sau: t0 = tb - tb - nhiệt độ không khí sau dàn bay hơi. Theo yêu cầu của hệ thống sấy tb = 8 0C : Hiệu nhiệt độ ngưng tụ yêu cầu. Hiệu nhiệt độ tối ưu là = (8 – 13 0C). Ta chọn =80C Như vậy nhiệt độ sôi của môi chất lạnh là: t0 = 8–8 = 0 0C 5.3.2 Nhiệt độ hơi hút Để đảm bảo máy nén không hút phải lỏng người ta phải đảm bảo hơi hút vào máy nén nhất thiết phải là hơi quá nhiệt. th = t0 + Với môi chất R22, ta chọn = 25 0C. Vậy nhiệt độ hơi hút là: th = 0 + 25 = 25 0C 5.4 Tính toán chu trình bơm nhiệt máy lạnh a) Chọn chu trình Với nhiệt độ bay hơi t0 và nhiệt độ ngưng tụ tk đã chọn, tra bảng tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hòa ta có áp suất bay hơi và ngưng tụ tương ứng là: t0 = 0 0C p0 = 4,983 bar tk = 450C pk = 17,266 bar Như vậy, ta có tỉ số nén: = = 3,53 Với nên ta chọn máy nén 1 cấp.Mặt khác, môi chất lạnh sử dụng ở đây là R22 nên ta chọn sơ đồ máy nén lạnh 1 cấp dùng thiết bị hồi nhiệt. b) Sơ đồ, nguyên lý làm việc MN: Máy nén TL: Tiết Lưu BH: Bay hơi HN: Hồi nhiệt NT: Ngưng tụ Nguyên lý làm việc Hơi môi chất sau khi ra khỏi thiết bị bay hơi được đưa vào thiết bị hồi nhiệt, nhận nhiệt đẳng áp của lỏng cao áp trở thành hơi quá nhiệt 1’. Hơi quá nhiệt này được hút về máy nén và được nén đoạn nhiệt trong máy nén từ áp suất bay hơi p0 lên áp suất ngưng tụ pk. Hơi cao áp 2 đi vào thiết bị ngưng tụ, nhả nhiệt đẳng áp cho tác nhân sấy, ngưng tụ thành lỏng sôi 3. Sau đó, lỏng cao áp 3 đi vào thiết bị hồi nhiệt, nhả nhiệt đẳng áp cho hơi hạ áp trở thành lỏng chưa sôi 3’. Lỏng 3’ đi vào van tiết lưu giảm áp suất xuống áp suất bay hơi p0 (điểm 4) rồi đi vào thiết bị bay hơi nhận nhiệt của tác nhân sấy vừa ra khỏi buồng sấy, hóa hơi đẳng áp đẳng nhiệt thành hơi bão hòa ẩm và chu trình lại tiếp tục. c) Xây dựng đồ thị và lập bảng xác định các giá trị tại các điểm nút 0 3' S t 0, p 0 4 1 1' 3 T t k, p k 2 4 i 1' 1 3' 3 P 2 1. Đồ thị Các quá trình: 1-1’: Quá nhiệt hơi môi chất trong thiết bị hồi nhiệt 1’-2: Nén đoạn nhiệt hơi môi chất từ p0 đến pk 2-3: Làm mát và ngưng tụ đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bi ngưng tụ 3-3’: Quá lạnh lỏng cao áp trong thiết bị hồi nhiệt 3’-4: Quá trình tiết lưu đẳng Entanpi 4-1 : Quá trình bay hơi đẳng áp đẳng nhiệt trong thiết bị bay hơi Bảng các thông số tại các điểm nút của đồ thị Tra bảng các tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hòa và bảng các tính chất nhiệt động của hơi quá nhiệt R22 –Ta có bảng các thông số nhiệt động của môi chất trên đồ thị như sau: Bảng 4.1: Thông số trạng thái các điểm nút Điểm Trạng thái P bar T 0C v.103 m3/kg i kJ/kg S kJ/kgK 1 1’ 2 3 3’ 4 Hơi bão hòa khô x=1 Hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt Lỏng sôi, x=0 Lỏng chưa sôi Hơi bão hòa ẩm 4,893 4,893 17,266 17,266 17,355 4,893 0 25 88,63 45 38 - 46,98 54,41 17,27 0,9011 - - 704,28 722,67 754,68 555,97 537,58 537,58 1,7479 1,814 1,814 1,186 - - Nhiệt độ điểm 3’ được xác định theo phương trình cân bằng nhiệt trong thiết bị hồi nhiệt với giả thiết bỏ qua các tổn thất. Ta có: i3 – i3’ = i1’ – i1 Hay i3’ = i3 + i1 – i1’ = 555,97 + 704,28 – 722,67 = 537,58 kJ/kg Từ i3’ và p3’ ta có t3’ = 38 0C Như vậy độ quá lạnh = 45 – 38 = 7 0C e) Tính toán chu trình 1. Lưu lượng môi chất tuần hoàn qua hệ thống Lưu lượng môi chất tuần hoàn được xác định dựa vào năng suất lạnh của dàn bay hơi Q0 và công suất nhiệt Qk của dàn ngưng tụ. Ở chương 4 ta đã tính toán được: Q0tt = 3,61 kW; Qktt = 3,67 kW Xem hiệu suất của dàn nóng và dàn lạnh bằng nhau: = 0,7 Vậy công suất dàn ngưng của bơm nhiệt: Qk = =5,24 kW Công suất dàn bay hơi của bơm nhiệt: Q0 = =5,16 kW Do môi chất tuần hoàn trong bơm nhiệt nên lưu lượng môi chất qua dàn nóng và dàn lạnh bằng nhau. Ta có: Lưu lượng môi chất qua dàn lạnh: G0 = = 0,031 kg/s Lưu lượng môi chất qua dàn nóng: Gk = = 0,0264 kg/s Ta thấy lưu lượng môi chất qua dàn nóng và dàn lạnh theo tính toán không bằng nhau. Do đó để đảm bảo công suất của toàn hệ thống thì ta chọn lưu lượng lớn nhất. Tức là: G = max(G0, Gk) = G0 = 0,031, kg/s. Khi đó công suất nhiệt sẽ là: Qk’ = G(i2 – i3) = 0,031.(754,68 – 555,97) = 6,16 kW Công suất nhiệt sẽ thừa một lượng là: = Qk’ – Qk = 6,16 – 5,24 = 0,92 kW Phụ tải của thiết bị hồi nhiệt: Qhn = G.(i1’ – i1) = 0,031.(722,67–704,28) = 0,57 kW Công tiêu thụ của máy nén: L = G(i2 – i1’) = 0,031.(754,68 – 722,67) = 0,99 kW Hệ số nhiệt của bơm nhiệt: Do sử dụng bơm nhiệt nóng lạnh nên hệ số nhiệt của bơm nhiệt được tính theo công thức: = = 10,5 5.5 Tính toán các thiết bị trao đổi nhiệt 5.5.1 Dàn ngưng a) Công dụng Thiết bị ngưng tụ của bơm nhiệt có công dụng gia nhiệt cho không khí trước khi vào buồng sấy từ trạng thái bão hòa sau dàn lạnh đến nhiệt độ và độ ẩm yêu cầu trong quá trình sấy. Việc sử dụng dàn ngưng của bơm nhiệt để thay thế cho thiết bị gia nhiệt sẽ làm giảm chi phí điện năng của hệ thống, qua đó làm giảm chi phí lắp đặt và vận hành của hệ thống sấy dùng bơm nhiệt. b) Phương pháp thiết kế dàn ngưng Chọn loại dàn ngưng: Ta chọn loại dàn ngưng giải nhiệt bằng không khí đối lưu cưỡng bức. Cấu tạo gồm một dàn ống trao đổi nhiệt bằng thép hoặc ống đồng có cánh nhôm hoặc sắt bên ngoài, bước cánh nằm trong khoảng 3 – 10 mm. Cấu tạo của thiết bị như hình vẽ sau: Chọn ống cho dàn ngưng: Do môi chất là Freon R22 nên ta chọn ống đồng cánh nhôm để làm ống dẫn môi chất trong dàn ngưng. Các ống có cánh thường có thông số: Ống: - Đường kính trong: dtr = 15 mm - Đường kính ngoài: dng = 18 mm - Bước ống: s1 = s2 = s = 34 mm - Chiều dài đoạn ống: l = 0,5 m Cánh tròn: - Chiều dày: = 0,3 mm - Bước cánh: sc = 3,5 mm - Đường kính cánh dc = 32 mm Các thông số cho trước Công suất của dàn ngưng: Qk = 5,24 kW Nhiệt độ không khí vào dàn: tkk’ = t1 = 8 0C Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn: tkk” = t2 = 35 0C Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất: tk = 45 0C Lưu lượng môi chất qua dàn ngưng : G = 0,031 kg/s Lưu lượng không khí qua dàn: Gkk = 0,131 kg/s Tốc độ không khí đầu vào của dàn: = 2,5 m/s Tính diện tích trao đổi nhiệt , m2 Qk - Phụ tải nhiệt yêu cầu của thiết bị ngưng tụ, W k - Hệ số truyền nhiệt, W/m2K - Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình, 0K qkf – Mật độ dòng nhiệt, W/m2 Tính độ chênh nhiệt độ trung bình Khi tính toán có thể coi nhiệt độ trong thiết bị ngưng tụ là không đổi và bằng tk. Độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức: , 0C Trong đó: 0C 0C Ta tính được = 20,60C Xác định hệ số truyền nhiệt k Do ống có chiều dày mỏng (d2/d1= 1,25 <1,4) nên quá trình truyền nhiệt trong vách trụ có thể coi là truyền nhiệt qua vách phẳng. Lúc đó hệ số truyền nhiệt k có thể tính theo công thức: , W/mK Trong đó: - Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m2K - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK. Tra bảng thông số vật lý của một số chất rắn ta có: λcu = 389 W/mK. - Chiều dày vách. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức: = 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,018 – 0,015) = 0,0015 m εc - Hệ số làm cánh. Hệ số làm cánh được tính theo công thức: = 7,67 nc - Số cánh trên 1 ống: nc = = 143 cánh Tính hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài α2: Số cánh trên 1 ống: nc = 143 cánh Chiều cao cánh: h = = 7 mm Đường kính tương đương: dE = Trong đó: - Diện tích phần không cánh của ống. = .d2.nc.sc = 3,14.0,018.143.0,0035 = 0,0283 m2 - Diện tích phần có cánh. = 2.nc = = 0,157 m2 Thay vào ta có: dE = = 0,0226 m Tốc độ tại khe hẹp tính theo công thức : Nhiệt độ không khí trung bình: ttb = 0,5(tkk’ + tkk”) = 0,5(8 +35) = 21,5 0C Thông số vật lý của không khí khô ở nhiệt độ 21,5 0C ta có: = 1,199 kg/m3; = 15,201.10-6 m2/s; = 2,602.10-2 W/mK Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau: Re = = = 8,534.103 Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức với ống xếp song song: Nu = 0,138.Re0,63 = 41,35 Hệ số toả nhiệt của cánh: = 47,6 W/m2K Hệ số toả nhiệt tương đương của phía ống có cánh: , W/m2K Trong đó: = + = 0,0283 + 0,157 =0,1853 m2 = 0,95 : Hiệu suất cánh. Vậy: = 45,6 W/m2K Tính hệ số trao đổi nhiệt bên trong α1: Với hơi R22 ngưng trong ống nằm ngang ta có thể dùng công thức: α1=1,2.αN=1,2.0,728, W/m2K Trong đó: r = 160,33 kJ/kg - Nhiệt ẩn hóa hơi của môi chất kg/m3 - Khối lượng riêng của môi chất lỏng trong dàn ngưng = 0,0743 W/mK - Hệ số dẫn nhiệt của môi chất lỏng trong dàn ngưng = tk – tw - Độ chênh nhiệt độ ngưng tụ và vách ống, 0K = 2,145.104 Ns/m2 - Độ nhớt động lực học của môi chất lỏng trong bình ngưng g – Gia tốc trọng trường. g = 9,81 m/s2 Các thông số trên được lấy tại tk = 45 0C. Giả thiết tw = 43,8 0C, ta tính t w theo phương pháp lặp. Thay các thông số vào công thức trên ta có: = 1,2.0,728. = 5622 W/m2K Thay vào : k = = 329 W/m2K Khi đó: q = k.= 329.20,6 = 6777,4W/m2 q’ = (tk - tw) = 5622.1,2 = 6746,4 W/m2 So sánh q và q’ với sai số cho phép không quá 5% ta có: = 0,00457 = 0,457% < 5% Vậy k = 329 W/m2K; α1 = 5622 W/m2K và tw = 43,8 0C Diện tích trao đổi nhiệt bên trong = 0,773 m2 Tính các thông số cụ thể của dàn ngưng Số ống trong dàn: n = = 33 ống Chọn số ống trên mỗi hàng là m = 11 ống ta sẽ có số hàng ống trong dàn ngưng là: z = n/m = 3 Kích thước của dàn: - Chiều rộng dàn: B = z.s2 = 3.0,034 = 0,102 m - Chiều cao dàn: H = m.s1 = 11.0,034 = 0,374 m - Chiều dài của dàn đã chọn L = 0,5 m 5.5.2. Dàn bay hơi a) Công dụng: Dàn bay hơi có tác dụng nhận nhiệt của không khí chuyển động bên ngoài dàn làm nhiệt độ không khí giảm xuống dưới nhiệt độ đọng sương để tách một phần ẩm của không khí trước khi vào dàn bay hơi đồng thời hóa hơi môi chất chuyển động bên trong dàn lạnh từ trạng thái lỏng đến trạng thái hơi bão hòa. b) Thiết kế dàn bay hơi Chọn loại dàn bay hơi: Dàn bay hơi ở đây có tác dụng làm lạnh không khí nên ta chọn loại dàn bay hơi làm lạnh không khí đối lưu cưỡng bức. Cấu tạo của dàn như hình vẽ trên. Do làm lạnh không khí đến điểm sương nên dàn bay hơi có máng hứng nước ngưng ở dưới. Cấu tạo của dàn bay hơi như hình vẽ trên. Chọn ống cho dàn bay hơi: Để phù hợp với môi chất R22, ta chọn ống đồng cánh nhôm hình vuông làm ống dẫn môi chất trong dàn. Thông số của ông chọn như sau: Ống: - Đường kính trong : dtr = 15 mm - Đường kính ngoài: dng = 18 mm - Bước ống : s1 = s2 = s = 36 mm - Chiều dài đoạn ống : L = 0,5 m Cánh: - Chiều dày: = 0,35 mm. - Bước cánh: sc = 3,5 mm. - Chiều dài cánh: lc = 34 mm - Đường kính tương đương của cánh: dc = = 43,31 mm Thông số cho trước Công suất dàn: Q0 = 5,16 kW Nhiệt độ không khí vào dàn bay hơi: tk0’ = 35 0C Nhiệt độ không khí ra khỏi dàn: tk0” = 8 0C Nhiệt độ bay hơi của môi chất trong dàn: t0 = 0 0C Lưu lượng khối lượng môi chất trong dàn lạnh: G = 0,031 kg/s Lưu lượng không khí qua dàn lạnh: Gk = 0,131 kg/s Tốc độ không khí đầu vào dàn lạnh: = 2,5 m/s Tính diện tích trao đổi nhiệt , m2 Q0 - Phụ tải nhiệt yêu cầu của thiết bị bay hơi, W k - Hệ số truyền nhiệt, W/m2K - Độ chênh nhiệt độ lôgarit trung bình, 0K q0f - Mật độ dòng nhiệt, W/m2 Tính độ chênh nhiệt độ trung bình Độ chênh nhiệt độ trung bình được tính theo công thức: , 0C Trong đó: 0C 0C Thay vào công thức ta có tính được = 18,3 0C Xác định hệ số truyền nhiệt k : Do ống có chiều dày mỏng (d2/d1= 1,2 <1,4) nên quá trình truyền nhiệt trong vách trụ có thể coi là truyền nhiệt qua vách phẳng. Lúc đó hệ số truyền nhiệt k có thể tính theo công thức: , W/mK Trong đó: - Hệ số trao đổi nhiệt bên trong và ngoài ống trao đổi nhiệt, W/m2K - Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu làm ống, W/mK Tra bảng thông số vật lý của một số chất rắn ta có: = 389 W/mK. - Chiều dày vách. Ở đây chiều dày vách trụ được tính theo công thức: = 0,5(d2 – d1) = 0,5(0,018 – 0,015) = 0,0015 m Số cánh trên 1 ống: nc = = 125 cánh εc hệ số làm cánh. Hệ số làm cánh được tính theo công thức: = 13,9 Tính hệ số trao đổi nhiệt bên ngoài : Số cánh trên 1 ống: nc = 125 cánh Chiều cao cánh: h = = 12,66 mm. Đường kính tương đương: dE = Trong đó: - Diện tích phần không cánh của ống = .d2.nc.sc = 3,14.0,018.125.0,0035 = 0,0247 m2 - Diện tích phần có cánh = 2.nc = = 0,61 m2 Thay vào công thức trên ta có: dE = = 0,048 m Tốc độ tại khe hẹp tính theo công thức: = 5,7 m/s2 Nhiệt độ không khí trung bình: ttb = 0,5(tkk’ + tkk”) = 0,5(35 +8) = 21,5 0C Thông số vật lý của không khí khô ở nhiệt độ 21,5 0C ta có: = 1,199 kg/m3; = 15,201.10-6 m2/s; = 2,602.10-2 W/mK Ta có thể tính hệ số Re theo công thức sau: Re = = = 18.103 Khi đó hệ số Nu được tính theo công thức với ống xếp song song: Nu = 0,138.Re0,63 = 66,2 Hệ số toả nhiệt của cánh: = 35,9 W/m2K Hệ số toả nhiệt tương đương của phía ống có cánh: , W/m2K Trong đó: = + = 0,0247 + 0,61 =0,6347 m2 = 0,95 : Hiệu suất cánh. Vậy: = 33,62 W/m2K Tính hệ số trao đổi nhiệt bên trong : , W/m2K Trong đó: - Tốc độ chuyển động của lỏng R22 trong hệ thống, m/s. Với R22: = 0,4 – 1 m/s. Ta chọn = 0,5 m/s. - Khối lượng riêng cuả R22 lỏng tại 0 0C: = 1,284.103 kg/m3 A - Tại 00C, ta chọn A = 1,32 = tw – t0 dtr - Đường kính trong của ống, m Do tw chưa biết nên ta tìm phương pháp lặp: Giả sử tw = 3,60C, ta tính được: = 1,22,5.[3,6 -0]1,5. = 2229 W/m2K Thay vào k = = 385,7 W/m2K Khi đó: q = k.= 385,7.21,5 = 8293,6 W/m2 q’ = (tw – t0) = 2229.3,6 = 8024,4 W/m2 So sánh q và q’ với sai số cho phép không quá 5% ta có: = 0,0324 = 3,24% < 5% Vậy k = 385,7 W/m2K; α1 = 2229 W/m2K và tw = 3,6 0C Diện tích trao đổi nhiệt bên trong = 0,731 m2 Tính các thông số cụ thể của dàn bay hơi Số ống trong dàn: n = = 31 ống Lấy số ống bằng 33 Chọn số ống trên mổi hàng là m = 11 ống ta sẽ có số hàng ống trong dàn bay hơi là: z = n/m =3 Kích thước của dàn: - Chiều rộng dàn: B = z.s2 = 3.0,036 = 0,108 m - Chiều cao dàn: H = m.s1 = 11.0,036 = 0,396 m - Chiều dài của dàn đã chọn L = 0,5 m 5.5.3 Tính chọn máy nén Nhiệm vụ của máy nén lạnh: Máy nén lạnh là bộ phận quan trọng nhất của các hệ thống lạnh nén hơi. Máy nén có nhiệm vụ: Liên tục hút hơi sinh ra ở thiết bị bay hơi. Duy trì áp suất P0 và nhiệt độ t0 cần thiết. Nén hơi lên áp suất cao tương ứng với môi trường làm mát, nước hoặc không khí, đẩy vào thiết bị ngưng tụ. Đưa lỏng qua van tiết lưu trở về thiết bị bay hơi, thực hiện quá trình tuần hoàn kín của môi chất lạnh trong hệ thống gắn liền với việc thu hồi nhiệt ở môi trường lạnh và thải nhiệt ở môi trường nóng. Chọn loại máy nén: Với môi chất R22 ta chọn loại máy nén pittông nửa kín 1. Tính toán chu trình ở chế độ yêu cầu Năng suất khối lượng thực tế: G = 0,031 kg/s Năng suất thể tích thực tế: Tra bảng các tính chất nhiệt động của R22 ở trạng thái bão hoà với nhiệt độ hơi hút là 00C ta có v = v0” = 46,98.10-3 m3/kg. Vậy Vtt = G.v = 0,031.46,98.10-3 = 1,456.10-3 m3/s Tỷ số nén: = = 3,46 Hệ số cấp của máy nén: Hệ số cấp của máy nén là tỉ số giữa thể tích thực tế Vtt và thể tích lý thuyết Vlt của máy nén. Hệ số cấp và hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ số nén với môi chất R22 ta có = 0,77. Thể tích hút lý thuyết: Vlt = Vtt/ = 1,456.10-3/0,77 = 1,89.10-3 m3/s Năng suất lạnh riêng khối lượng: q0 = i1 – i4 = 704,28 – 537,58 = 166,7 kJ/kg Năng suất lạnh riêng thể tích qv = = 3549 kJ/m3 Thể tích hơi thực tế hút vào xylanh: V= G.v1’ =0,031.54,41.10-3 = 1,69.10-3 m3/s Hệ số chỉ thị thể tích: Chọn : C = 0,05 ==0,1 bar  Hệ số tổn thất không thấy được: Hệ số lưu lượng của máy nén: = =0,855.0,86=0,7353 Thể tích chuyển dời của pittong: Vh ==m3/s Công suất đoạn nhiệt: Na= G( i2 – i1’) = 0,031.(754,68 - 722,67) = 0,992 kW Hiệu suất chỉ thị: Với R22 chọn b= 0,0025 Công suất chỉ thị: Ni === 1,15 kW Công suất ma sát: Nm =Vh .Pm .102 = 2,3.10-3 .0,5.102=0,115 kW Chọn Pm =0,5 bar Công suất hiệu dụng: Ne =Ni +Nm =1,15 + 0,115 = 1,265 kW Công suất trên trục máy nén truyền động trực tiếp N = Ne = 1,265 KW Tính toán năng suất lạnh tiêu chuẩn Do công suất lạnh của máy nén phụ thuộc rất lớn vào chế độ vận hành nên chế độ vận hành khác so với trong catalogue. Để chọn máy nén phù hợp ta tiến hành quy đổi năng suất lạnh từ chế độ vận hành sang chế độ quy chuẩn: Với R22, chế độ tiêu chuẩn là: t0 = 150C; tqn = 15 0C; tk = 30 0C; tql = 25 0C. Ta lập bảng thông số trạng thái của các điểm nút trên đồ thị: Bảng 4.2 : Thông số tiêu chuẩn của các điểm nút Điểm Trạng thái P bar t 0C v.103 m3/kg i kJ/kg S kJ/kgK 1 1’ 2 3 3’ 4 Hơi bão hòa khô x=1 Hơi quá nhiệt Hơi quá nhiệt Lỏng sôi, x=0 Lỏng chưa sôi Hơi bão hòa ẩm 2,966 2,966 11,908 11,908 11,908 2,966 -15 15 85 30 25 -15 77,29 106,15 25,183 0,8515 - - 698,38 719,7 759,315 536,51 515,19 515,19 1,7710 1,8448 1,8448 1,1248 - - Tính toán chế độ tiêu chuẩn: Tỷ số nén: = = 4,015 Hệ số cấp: Hệ số cấp và hiệu suất chỉ thị phụ thuộc vào tỷ số nén với môi chất R22 ta có = 0,76 Năng suất lạnh riêng khối lượng tiêu chuẩn: q0tc = i1 – i4 = 183,19 kJ/kg Năng suất lạnh riêng thể tích tiêu chuẩn: kJ/m3 Năng suất lạnh tiêu chuẩn: Q0tc = kW Chọn máy nén Máy nén pittong 1 cấp của hãng MYCOM Series F4C - Mỹ ta chọn máy nén có thông số sau: Ký hiệu: F4C Q0tc: 2.0 HP Số xi lanh: 4 Điện nguồn: 220V/1Ph/50Hz Đường kính pittông: 65 mm Số vòng quay: 1000 vg/ph 4. Tổn thất năng lượng và công suất động cơ Công nén đoạ