CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Quá trình sấy 1. Định nghĩa quá trình sấy Sấy là một quá trình tách ẩm (tách nước) ra khỏi vật liệu sấy và thải vào môi trường. Sấy là một khâu quan trọng trong quy trình công nghệ của nhiều ngành công nghiệp chế biến nông – lâm – thủy sản và đặc biệt là trong ngành công nghệ thực phẩm.
Để thực hiện quá trình sấy, người ta sử dụng các hệ thống sấy gồm các thiết bị như thiết bị sấy, buồng sấy, hầm sấy, tháp sấy,. các thiết bị đốt nóng tác nhân sấy, các thiết bị lạnh để khử ẩm, bơm, quạt… và các thiết bị khác [11]. Quá trình này được thực hiện bằng phương pháp nhiệt tại một nhiệt độ và áp suất xác, định. Nhiệt được cung cấp cho vật liệu ẩm bằng dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc bằng năng lượng điện trường có tần số cao.
Làm ẩm có trong vật liệu nhận được năng lượng theo một phương thức nào đó tách khỏi vật liệu sấy và dịch chuyển từ trong long vật thể ra bề mặt, và từ bề mặt vào môi trường xung quanh [11]. Vật liệu sấy trước khi đem sấy thường có nguồn gốc thực vật, động vật hoặc khoáng vật, sản phẩm sấy được đem sử dụng ngay, bảo quản hoặc là bán thành phẩm của một quy trình công nghệ nào đó. Mục đích của quá trình sấy là giảm khối lượng, giảm công chuyên chở vận chuyển, giảm hoạt độ của nước, làm cho thực phẩm và vật liệu mất môi trường sống của sinh vật và kéo dài thời gian sử dụng; tăng độ bền cho sản phẩm bởi vì khi tách nước làm thay đổi các tính chất lưu biến về độ cứng, độ dẻo, độ dai, độ đàn hồi.; thay đổi hoặc làm tăng giá trị cảm quan của thực phẩm nhưng vẫn đảm bảo chấ lượng sản phẩm với mức chi phí năng lượng tối thiểu. Tĩnh học của quá trình sấy 1.
Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống sấy: Nếu dùng chất tải nhiệt là không khí thì gọi là sấy bằng không khí. Khi sấy bằng không khí nóng có hàm ẩm tiếp xúc với bề mặt vật liệu ẩm và cung cấp năng lượng để bốc hơi trong vật liệu ẩm và dòng khí, hỗn hợp không khí ẩn sẽ làm tăng hàm ẩm và đi ra ngoài. Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống sấy được mô tả như sau [1][3][4]: Hình 1. Sơ đồ sấy bằng không khí.
4 do an Vật liệu sấy ban đầu có độ ẩm cao được đưa vào thiết bị sấy và được sấy khô trong phòng sấy rồi đi ra ngoài. Tác nhân sấy là không khí bên ngoài được đưa qua bộ phận đốt nóng để gia nhiệt lên đến nhiệt độ sấy cần thiết, sau đó đưa vào phòng sấy để tiếp xúc với vật liệu, cấp nhiệt cho nước trong vật liệu để bốc hơi. Nếu cần thiết sẽ có thêm bộ phận đốt nóng bổ sung trong phòng sấy. Trong trường hợp vật liệu không có yêu cầu cao về hình thức và màu sắc thì có thể sử dụng tác nhân sấy là khói lò.
Khi đó không cần bộ phận đốt nóng mà chỉ có lò đốt nhiên liệu và phòng trộn khói lò với không khí lạnh để giảm nhiệt độ khói lò trước khi đưa vào phòng sấy [1],[3],[4]. Sấy lý thuyết và sấy thực tế Trong quá trình sấy lý thuyết ∆ = 0 hay nhiệt bổ sung bằng nhiệt tổn thất.1) d3 − d1 Mặt khác khi qua bộ phận đối nóng nóng không khí được gia nhiệt từ nhiệt độ t1 đến t2 do đó enthalpy của không khí cũng tăng từ h1 lên h2 nên qc có thể tính theo phương trình cân bằng nhiệt lượng cho bộ phận đốt nóng [1],[3],[4].2) Từ đó ta có h2 = h3, vậy trong suốt quá trình sấy lý thuyết enthalpy của không khí không thay đổi trong suốt quá trình h = const. Có thể nói cách khác, quá trình sấy lý thuyết, một phần nhiệt lượng của không khí có bị mất đi cũng chỉ để làm bốc hơi nước có trong vật liệu, sau đó hơi nước mang nhiệt lượng đó nhập lại vào không khí [1],[3],[4].2 mô tả sự biến đổi trạng thái của không khí. Trạng thái ban đầu, khi ra khỏi bộ phận đốt nóng và sau khi sấy được biểu diễn lần lượt bởi điểm A(t1, φ1 , h1, d1), B(t2, φ2 , h2, d2) và C(t3, φ3 , h3, d3).
Chỉ cần biết hai trong bốn thông số trạng thái của không khí để xác định các điểm A, B, C. Tóm lại, đường ABC biểu diễn quá trình sấy lý thuyết với AB là giai đoạn đốt nóng không khí và BC là giai đoạn sấy lý thuyết [1],[3],[4]. Mô tả quá trình sấy lý thuyết [1] Do lượng nhiệt bổ sung chung khác với lượng nhiệt tổn thất chung trong quá trình sấy thực tế, do đó do đó ∆ ≠ 0. Từ đó: g (h3 − h1 ) − ∆ = g(h2 − h1 ) 5 do an ∆ => h3 − h2 = (1.3) g Trong thực tế có thể xảy ra theo một trong ba trường hợp, tùy theo giá trị của ∆ - Nhiệt lượng bổ sung chung lớn hơn nhiệt lượng tổn thất chung nên nên ∆ > 0.
Vì g luôn dương nên theo (1. - Nhiệt lượng bổ sung chung không đủ để bù nhiệt lượng tổn thất chung nên ∆ < 0. - Nhiệt lượng bổ sung chung đủ bù nhiệt lượng tổn thất chung nên ∆ = 0, đây là trường hợp sấy lý thuyết: h3 = h2 [1],[3],[4]. Quá trình sấy thực tế được mô tả ở Hình 1.
Mô tả quá trình sấy thực tế [1] Trong đó: - Đường ABC: Quá trình sấy lý thuyết. - Đường ABC1: Quá trình sấy thực tế với h3 > h2. - Đường ABC2: Quá trình sấy thực tế với h3 < h2. Các phương thức sấy Sấy có bổ sung nhiệt trong phòng sấy Hình 1.
Sơ đồ sấy có bổ sung nhiệt trong phòng sấy. Trường hợp 1: Quá trình sấy (1) – (3), QK = 0 (không đốt nóng), trong quá trình sấy, gia nhiệt trực tiếp cho sản phẩm. 6 do an Q = Qbs – Qs = LK (h3 –h1) Trường hợp 2: (1) - (A) - (3), tA< t3: Không khí được đốt nóng bằng calorife, nhỏ hơn nhiệt độ của không khí sau khi sấy. Vì vậy, lượng cấp nhiệt bổ sung phải lớn.
Trường hợp này thích hợp cho sấy các sản phẩm có nhiệt độ thấp. (d3 – d1) Trường hợp 3: (1) - (B) - (3), tB = t3: Sau khi đốt nóng tại calorife không khí có nhiệt độ bằng nhiệt độ không khí sau khi ra khỏi phòng sấy. Trường hợp này áp dụng cho các loại sản phẩm chịu nhiệt độ thấp. (hB – h1) Qbs – Qs = LK.
(d3 – d1) Trường hợp 4: Quá trình sấy (1) – (C) – (3), t3 < tC < t2: Không khí được đốt nóng tại calorife có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ không khí đầu ra. Ở trường hợp này thích hợp cho sấy các loại sản phẩm chịu nhiệt độ từ nhiệt độ trung bình đến nhiệt độ cao mà chất lượng ít thay đổi. (hC – h1) Qbs – Qs = LK. (d3 – d1) Trường hợp 5: Quá trình sấy (1) – (2) – (3): Sấy chịu được nhiệt độ cao, hoàn toàn tương tự quá trình sấy lý thuyết và quá trình sấy thực.
Quá trình sấy lý thuyết có bổ sung nhiệt Sấy có gia nhiệt giữa chừng 7 do an Hình 1. Sơ đồ sấy có gia nhiệt giữa chừng. Quá trình sấy có gia nhiệt giữa chừng. Có thể chia phòng sấy ra làm nhiều khu vực sấy và trước mỗi khu vực có đặt một bộ phận đốt nóng để giảm nhiệt độ không khí sấy.
Không khí ban đầu ở trạng thái (0) (ho, to, do, φo ), đi qua bộ phận đốt nóng 1 được gia nhiệt lên đến nhiệt độ t1, rồi đi vào khu vực sấy (1) (hình 1. Nhiệt độ không khí hạ xuống đến t2 sau khi sấy xong. Sau đó, không khí lại tiếp tục qua bộ phận đốt nóng (2) để được gia nhiệt lên đến t’ 1, rồi vào khu vực sấy (2’),…Quá trình tiếp tục cho đến trạng thái (2’’). Đường gấp khúc (0)-(1)-(2)- (1’)-(2’)-(1’’)-(2’’) biểu diễn quá trình sấy có gia nhiệt giữa chừng.
Nếu trạng thái đầu (điểm (0)) và trạng thái cuối (điểm (2’’)) đã xác định trước thì khi sấy bằng phương pháp đốt nóng dòng khí một lần ban đầu thì nhiệt độ dòng khí lên rất cao (điểm A là giao điểm của trạng thái (0)-(1) và trạng thái (1’’)-(2’’) kéo dài), nhưng khi sấy có đốt nóng dòng khí giữa chừng nhiệt độ tối đa có thể nhỏ hơn rất nhiều tùy thuộc vào số giai đoạn đốt nóng giữa chừng. Nhờ phương án sấy có gia nhiệt giữa chừng, có thể giảm nhiệt độ tác nhân sấy trước khi đưa vào sấy, vì vậy giữ được chất lượng sản phẩm. Nhiệt độ không khí ẩn sau khi đốt qua mỗi calorife, nhiệt độ không khí ẩm sau khi ra khỏi mỗi buồng sấy đều bằng nhau, vì vậy phương thức sấy này thích hợp để sấy các vật liệu không chịu được nhiệt độ cao. 8 do an Sấy có không khí hoàn lưu - Khi không có không khí hoàn lưu ở trạng thái 3 thì quá trình phối trộn hai dòng không khí nóng và không khí lạnh sẽ xảy ra.
Trạng thái 3 phối trộn với trạng thái 1 tạo trạng thái K. Vì trạng thái 3 và trạng thái 1 xác định nên trạng thái K hoàn toàn được xác định bởi hệ phương trình cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng. - Nó được đốt nóng lên trạng thái (2) bởi nhiệt lượng calorife sau khi phối trộn. Sau đó được chuyển vào buồng sấy và thành trạng thái (3).
- Quá trình sấy được gọi là tam giác sấy vì đi theo chu vi tam giác K23. Quá trình tính tương tự như việc tính toán cân bằng vật chất và cân bằng năng lượng.8: Sơ đồ sấy có không khí hoàn lưu. Quá trình sấy có không khí hoàn lưu. Trên căn bản, 1kg không khí khô ban đầu được trộn lẫn với n kg không khí khô tuần hoàn thì enthalpy của hỗn hợp tại K được tính theo biểu thức sau được rút ra từ cân bằng nhiệt lượng: h1 + nh3 hK = (kJ/kgkkk) (1.4) 1+n 9 do an Hàm ẩm dM suy ra từ phương trình cân bằng ẩm: d1 + nd3 dK = (kgẩm/kgkkk) (1.5) 1+n hK − h1 dK − d1 Từ đó rút ra: n= = (1.6) h3 − hK d3 − dK Từ đó xác định được điểm K trên đoạn (1) - (3) Cân bằng vật chất và nhiệt lượng cho dòng không khí sẽ xác định được.
Lượng không khí khô ban đầu (tương ứng trạng thái 1): 1 g= (kgkkk/kgẩm) d3 − d1 Lượng hỗn hợp không khí đi vào thiết bị sấy: 1 gK = (kgkkk/kgẩm) d3 − dK Hay: g K = g(1 + n) (kgkkk/kgẩm) (1.