CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH 1. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIÊN 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 chuyên 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 đên một vùng âm 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 đề gia nhiệt.
Các nhà khoa học và các kỹ sư đã cô 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 kẻ sau thế chiến II, người ta nhận thấy rằng bơm nhiệt có thê được thương mại hóa nếu hoàn tất lý thuyết và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Sản phâm bơm nhiệt đầu tiên được bán vào năm 1952. Từ khi xây ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kí 70, bơm nhiệt lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới.
Hàng loạt bơm nhiệt đú 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, sây, hút âm, đun nước… 6 Hình 1.1 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt 1. HỆ THÓNG SÁY 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 thỏa mãn nhu cầu ngày càng cao đối với các nguồn năng lượng đang cạn kiệt trên trái đất. Sự phát triên 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 đôi dần dần theo hướng đòi hỏi đáp ứng cả vấn đề cân bằng sinh thái và môi trường sống. Sây 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 7 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 sây (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 khuếch tán vào trong dòng tác nhân sấy. Trong môi trường đối lưu, độ âm tuyệt đối của tác nhân sấy phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Việc sử dụng bơm nhiệt đề hút âm trong quá trình sấy hoàn toàn có thể điều khiển hoàn toàn cả thành phần âm và nhiệt độ tác nhân sấy, cũng như lấy lại được nhiệt ân bay hơi của nước từ dòng thải.
Bơm nhiệt có thê thay đôi 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 phô biến nhất 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: Các thành phần cơ bản của một bơm nhiệt 9 Quá trình truyền nhiệt thực hiện được thông qua sự thay đối 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 âm), do đó làm tăng khả năng sấy của không khí. Trong quá trình này chỉ tuần hoàn mức nhiệt thấp (nhiệt hiện và nhiệt ân) từ không khí. Cấu trúc của đàn bay hơi và dàn ngưng tụ được bồ trí như hình vẽ (hình 1.3: Hai phương thức trao đôi nhiệt thông qua buồng sấy. Mũi tên lớn chỉ dòng tác nhân qua buông sây 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 bồ trí thứ hai, dàn bay hơi được 10 xen vào dòng không khí âm trong khi không khí sạch lại được đưa vào toàn bộ dàn ngưng tụ. Việc sắp xép theo kiểu này, nhiệt ân (cùng với một lượng lớn nhiệt hiện) được hồi lưu bằng cách khử âm của khí thải và truyền cho không khí của quá trình thông qua đàn 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 đòng 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 thê tuần hoàn toàn bộ hay từng phần.
Bơm nhiệt bước đầu được nghiên cứu với tác dụng khử âm, 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 đôi 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 đề 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 chỉ 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 đôi 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. PHÂN LOẠI HỆ THÓNG SÁY LẠNH 11 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 âm 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 âm như khi sấy nóng mà ngược lại, nó có tác dụng tăng cường quá trình dịch chuyển ẩm trong lòng vật ra ngoài đề bay hơi làm khô vật. Khi đó ầm trong vật liệu dịch chuyên ra bề mặt và từ bê mặt vào môi trường có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn nhiệt độ môi trường hoặc cũng có thế nhỏ hơn 0°C.5: Sơ đồ hệ thống sấy lạnh 1. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 0°C a.
Hệ thống sấy thăng hoa Sây thăng hoa là quá trình tách âm 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 thê, nghĩa là nhiệt độ của 12 vật liệu t < 0C và áp suất tác nhân sây bao quanh vật p < 620 Pa. Từ đó, vật liệu sây nhận được nhiệt lượng đề 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 sây và làm lạnh vật xuống dưới 0°C.
• Ưu điểm: Phương pháp gần như bảo toàn được chất lượng sinh, hóa học của sản phâm 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 (đề kết đông sản phẩm và làm ngưng kết hơi nước) - Hệ thống cồng kènh nên vận hành phức tạp, chỉ phí vận hành và bảo dưỡng lớn. ❖ Sây thăng hoa thường được ứng dụng để sấy sản phẩm quý, dễ biến chất do nhiệt như: máu, vắc xin. 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 < 0C, áp suất tác nhân sây bao quanh vật p> 610 Pa.
Khi nhận được nhiệt lượng, các phần tử nước trong vật liệu sấy ở thể rắn sẽ chuyên sang thê lỏng, sau đó mới chuyên sang thê hơi và đi vào môi trường.