chương 1 Chƣơng 2: Nghiên cứu hệ thống điều khiển – giám sát nhiệt độ, độ ẩm của máy sấy lạnh nông sản kiểu bơm nhiệt 2. Cấu trúc máy sấy lạnh nông sản kiểu bơm nhiệt 2. Nghiên cứu hệ thống điều khiển- giám sát nhiệt độ độ ẩm của máy sấy lạnh nông sản kiểu bơm nhiệt 2. Xây dựng mô hình tính toán công suất lấy ẩm của các vật liệu.
Kết luận chương 2 Chƣơng 3: Thực nghiệm máy sấy nông sản kiểu bơm nhiệt 3. Vận hành, thực nghiệm máy sấy 3. Đánh giá hiệu quả và hiệu chỉnh hệ thống 3. Kết luận chương 3 Phần kết luận và kiến nghị: Tóm tắt các kết quả đạt được, tồn tại và hướng phát triển tiếp theo của đề tài.
6 Chƣơng 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY SẤY NÔNG SẢN KIỂU BƠM NHIỆT 1. Khảo sát về công nghệ sấy kiểu bơm nhiệt Máy sấy bơm nhiệt là một thiết bị hoạt động theo nguyên lý nhiệt động lực học nhằm mục đích vận chuyển một nhiệt lượng từ môi trường này sang môi trường khác. Một máy bơm nhiệt thông thường chỉ cho phép nhiệt lượng di chuyển theo một chiều cố định (từ nóng” sang lạnh” hoặc ngược lại), ví dụ như lò sưởi, tủ lạnh, điều hòa, v. Loại máy bơm nhiệt cho phép điều chỉnh và lựa chọn chiều di chuyển của nhiệt lượng được gọi là máy bơm nhiệt thuận nghịch.
Bơm nhiệt có quá trình phát triển lâu dài, bắt đầu từ khi Nicholas Carnot đề xuất những khái niệm 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 đó là bơm nhiệt. Đầu những năm 1850, Lord Kelvin đã phát triển các lý thuyết về bơm nhiệt bằng lập luận, các thiết bị làm lạnh có thể được sử dụng để gia nhiệt. Sản phẩm bơm nhiệt đầu tiên được bán vào năm 1952.
Từ khi xảy 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 cỡ cho các ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị trường. Bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa không khí, sấy, hút ẩm, đun nước v. 1 Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt Hiện nay, có 3 phương pháp sấy đang được sử dụng rộng rãi trong việc sấy nông sản bao gồm: - Sấy nóng: Phương pháp này sử dụng không khí (tác nhân sấy) nóng để sấy 7 nông sản thông qua việc bốc hơi nước ở nhiệt độ cao thường từ C đến C.
Ưu điểm của phương pháp là chi phí đầu tư thấp, chi phí vận hành, bảo trì bảo dưỡng thấp.Nhược điểm lớn nhất của phương pháp là vì sấy ở nhiệt độ lớn hơn C sẽ làm ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm, dễ làm cho nguyên liệu bị chín và gây nên sự tạo màng cứng ở lớp bề ngoài cản trở tới sự chuyển động của ẩm từ bên trong ra bên ngoài bề mặt vật liêu sấy, ví dụ: nhiệt độ sản phẩm trong quá trình sấy cao hơn C thì protein bị biến tính, nếu trên C thì fructaza bắt đầu caramen hóa. Các phản ứng tạo ra melanoidin và polyme cao phân tử có chứa N và không chứa N dẫn tới vật liệu sấy có màu và mùi thơm của đồ chín, ngoài ra một số vitamin sẽ bị phân hủy. Dòng nhiệt có hướng chuyển dịch từ ngoài bề mặt vật liệu sấu vào tâm, ngược hướng với chiều chuyển dịch của ẩm từ tâm vật liệu sấy ra ngoài, điều này làm giảm cường độ sấy. Nếu nhiệt độ cao hơn nữa thì nguyên liệu có thể bị cháy làm mất giá trị dinh dưỡng và mất giá trị cảm quan của sản phẩm.
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 và 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 v.
+ 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 v. + 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 8 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 của phương pháp sấy nóng: 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. - Sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt: Phương pháp này sử dụng không khí đã được đưa qua buồng lạnh để ngưng tụ, tách hơi nước ra trước khi đưa vào buồng gia nhiệt để đốt nóng và đưa vào buồng sấy nông sản. Dưới sự chênh lệch áp suất riêng của hơi nước trên bề mặt sản phẩm với áp suất riêng của hơi nước trong không khí làm cho hơi nước ở sản phẩm tự bay bốc hơi và làm khô.
Do nhiệt độ sấy cao nhất khoảng 35 – C nên giữ được màu sắc, chất lượng của sản phẩm. - 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 được làm lạnh dưới điểm ba thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu t<0oC, 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 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 C. Ưu điểm của hệ thống sấy thăng hoa là bảo toàn được chất lượng sinh, hoá học của sản phẩm bao gồm: màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính, v. ; áp dụng được cho hầu hết các loại nông sản hiện nay. Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của phương pháp là chi phí đầu tư cao, phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh, thời gian sấy lâu hơn; chi phí vận hành, bảo trì, bảo dưỡng lớn hơn.
Do đó, 5 phương pháp này được dùng nhiều trong sấy các nông sản có giá trị cao hoặc các sản phẩm xuất khẩu vào một số thị trường khó tính bởi yêu cầu khắt khe về hàm lượng. Giới thiệu các phương pháp sấy lạnh Với những đặc điểm phân tích từng phương pháp sấy ở trên, hệ thống sấy bơm nhiệt có ưu điểm là nhiệt độ sấy thấp dẫn đến giữ được màu sắc, mùi vị tự nhiên sau khi sấy; chi phí công nghệ cũng như tiêu thụ năng lượng ít hơn nhiều so với các phương pháp sấy thăng hoa, sấy chân không v. Trong nước, đã có nhiều công trình nghiên cứu khoa học liên quan đến lĩnh vực chế biến, bảo quản nông sản sử dụng phương pháp sấy bơm nhiệt. Tiêu biểu trong các công trình nghiên cứu đó là công trình nghiên cứu của GS.TS Nguyễn Đức Lợi và GS.TS Phạm Văn Tùy đã thiết kế và chuyển giao công nghệ sấy kẹo Jelly tại công ty bánh kẹo Hải Hà bằng phương pháp sấy lạnh bơm nhiệt với công suất nhiệt 60kW [1].
Bên cạnh đó Tác giả Phạm Văn Tùy cùng các cộng sự [2] nghiên cứu và chế tạo thành công máy sấy lạnh hút ẩm đa năng và ứng dụng sấy một số sản phẩm như: cà rốt, củ cải, hành lá, thì là. Kết quả được các sản phẩm sau khi sấy vẫn giữ nguyên màu tự nhiên dù đã sấy khô, hàm lượng vitamin C ở mức cao hơn hẳn so với các sản phẩm nông sản sấy bằng không khí nóng. Công nghệ này đã được trao Giải thưởng sáng tạo khoa học công nghệ Việt Nam” Vifotec năm 2004. Nhóm nghiên cứu của TS Vũ Huy Khuê [3], đã thành công trong việc chế tạo được 2 mẫu thiết bị sấy bơm nhiệt kết hợp lò vi sóng trong đó 01 mẫu thiết bị sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng được chế tạo và lắp đặt hoàn chỉnh hiện đang hoạt động tại Viện KH&CN Nhiệt lạnh; 01 hệ thống sấy bơm nhiệt kết hợp vi sóng công nghiệp được lắp đặt và sử dụng tại Công ty cổ phần thương mại dược vật tư y tế Khải Hà, Thái Bình.
Bên cạnh các kết quả của nhóm nghiên cứu Viện KH&CN Nhiệt Lạnh, nhóm tác giả ở bộ môn kỹ thuật Nhiệt Lạnh – khoa cơ khí nghiên cứu chế tạo trường đại học Nha Trang đã chế tạo thành công máy sấy bơm nhiệt tầng sôi kết hợp với bức xạ hồng ngoại và thử nghiệm thành công khi sấy với lá hẹ. Máy có năng suất 8 Kg/mẻ, công suất tiêu thụ 4. Nhóm tác giả Võ Duy Mạnh và Lê Chí Hiệp đã chế tạo thử nghiệm thành công mô hình sấy bơm nhiệt kiểu thùng quay trên đối tượng cà rốt thái lát. Kết quả đã đưa ra được điều kiện sấy tối ưu cho cà rốt là ở nhiệt độ C[4],, vận tốc tác nhân sấy 2.5m/s, số vòng quay 15 vòng/phút, khối lượng sấy ban đầu 4.