CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Tổng quan về kỹ thuật sấy 1.Khái niệm quá trình sấy Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng rất nhiều trong ngành công nông nghiệp [1]. Quá trình sấy là quá trình chất lỏng hoặc hơi của nó mà chủ yếu là nước và hơi nước nhận được năng lượng để dịch chuyển từ trong lòng vật liệu sấy (VLS) ra bề mặt và đi vào tác nhân sấy (TNS) hay môi trường. Quá trình sấy là quá trình truyền nhiệt, truyền chất xảy ra đồng thời.
Trong lòng VLS là quá trình dẫn nhiệt và khuếch tán ẩm hỗn hợp. Trao đổi nhiệt - ẩm giữa bề mặt VLS với TNS là quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi ẩm đối lưu liên hợp. Quá trình bên trong VLS chủ yếu chịu ảnh hưởng của dạng liên kết ẩm với cốt khô của vật liệu, quá trình ở bề mặt VLS chủ yếu chịu ảnh hưởng của cơ cấu trao đổi nhiệt ẩm và các thông số của TNS cũng như VLS. Sấy cũng là quá trình công nghệ, trong đó các tính chất công nghệ luôn luôn thay đổi.
Tính chất công nghệ của vật liệu gồm – tính chất hoá lý, tính chất cơ kết cấu, tính chất sinh hoá…. Quá trình sấy nhằm tăng cường một số đặc tính công nghệ để phục vụ nhiều mục đích khác nhau. Khi sấy sản phẩm gốm thì nhằm mục đích làm độ bền của nó tăng lên để tiếp tục gia công; sấy hạt giống thì phải làm tỷ lệ và khả năng nảy mầm cao lên; sấy nông sản thực phẩm thì giữ được hương vị, màu sắc, nguyên tố vi lượng mà tăng được thời gian bảo quản, giảm được giá thành vận chuyển, giảm được thể tích kho bảo quản…. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy ❖ Nhiệt độ Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy đầu tiên phải kể đến yếu tố nhiệt độ.
Tùy theo mỗi loại VLS sẽ cần một khoảng nhiệt độ sấy khác nhau, ví dụ Protein sẽ bị biến tính nếu nhiệt độ sản phảm trong quá trình sấy cao hơn 60oC, nếu trên 90oC thì fruetoza bắt đầu bị caremen hóa; Các phản ứng tạo ra melanoidin, polime hóa các hợp chất cao phân tử xảy ra mạnh. Đối với thảo dược, nhiệt độ cao dẫn đến dược tính bị biến đổi, thậm chí có thể bị cháy. Các loại dược liệu chứa dầu nên có nhiệt 2 độ sấy không quá 40oC. 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 vật liệu bị rắn lại và ngăn quá trình thoát ẩm. Ngược lại, nếu tốc độ tăng nhiệt chậm thì cường độ thoát ẩm yếu. Sấy các loại hạt giống cần chọn nhiệt độ thấp, tốc độ sấy không lớn để bảo vệ mầm thóc. Thóc thương phẩm cũng không được sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ lớn, vì như vậy sẽ làm gạo bị nát khi chế biến.
Do đó, tùy theo tính chất của vật liệu sấy mà chúng ta lựa chọn mức độ nhiệt độ phù hợp để có thể sấy hiệu quả nhất mà ít làm biến đổi thuộc tính yêu cầu của vật liệu sấy. ❖ Độ ẩm không khí Muốn nâng cao khả năng hút ẩm của không khí cẩn phải giảm độ ẩm tương đối của không khí xuống, từ đó gia tăng tốc độ sấy khô VLS. Muốn đạt được điều đó có các phương pháp: - Tăng nhiệt độ không khí bằng cách dùng bộ gia nhiệt sử dụng nhiên liệu rắn, khí hoặc dùng điện. - Giảm độ ẩm tuyệt đối của không khí bằng cách dùng máy hút ẩm - Ứng dụng bơm nhiệt ❖ Lưu thông của không khí Trong quá trình sấy, không khí có thể lưu thông tự nhiên hoặc cưỡng bức.
Trong các lò sấy, nếu không khí lưu thông tự nhiên với tốc độ nhỏ (nhỏ hơn 0.4 m/s) thì 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 cao trong khoảng (2÷5 m/s) trong các thiết bị sấy. Nếu tốc độ gió quá lớn (trên 5 m/s) sẽ gây ra tổn thất nhiệt lượng. ❖ Độ dày vật liệu: Độ dày của lớp VLS 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 thoát hơi nước trong VLS làm đọng sương trên bề mặt vật liệu. Độ dày mỏng của phần tử VLS 3 cũng ảnh hưởng đến tốc độ sấy tương tự. Nếu phân tử VLS quá nặng thì năng suất sấy sẽ giảm; tuy nhiên nếu phần tử VLS quá nhẹ có thể gây ra tình trạng VLS bị vụn, ảnh hưởng đến chất lượng VLS.
Tổng quan về sấy bơm nhiệt Hình 1. Hệ thống sấy bơm nhiệt theo Neslihan Colak [26] Sấy bơm nhiệt là công nghệ sấy sử dụng hệ thống bơm nhiệt để tách ẩm và gia nhiệt cho dòng tác nhân sấy, nhằm thực hiện quá trình sấy khô vật liệu. Cơ chế tách ẩm của quá trình sấy được thực hiện nhờ chênh lệch phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy. Trong máy sấy bơm nhiệt, động lực quá trình sấy được tạo ra bằng hai cơ chế: Thứ nhất: Giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bằng việc tách ẩm của dòng tác nhân sấy tại thiết bị bay hơi (dàn lạnh).
Thứ hai: Tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy bằng cách sử dụng dòng tác nhân sấy sau khi được gia nhiệt tại thiết bị ngưng tụ (dàn nóng) để gia nhiệt cho vật liệu sấy. Do đó, khi sấy bơm nhiệt thông thường không cần nhiệt độ sấy cao. 4 Máy sấy bơm nhiệt có nhiều cách phân loại khác nhau như: theo vòng tuần hoàn, theo số cấp bơm nhiệt, theo tác nhân sấy… Theo vòng tuần hoàn: Máy sấy bơm nhiệt hồi lưu và không hồi lưu. Theo số cấp bơm nhiệt: Mấy sấy bơm nhiệt 1 cấp, nhiều cấp.
Theo tác nhân sấy: Không khí, N2, CO2, khí khác. Tổng quan về sấy tầng sôi Hệ thống sấy tầng sôi là một trong những thiết bị dùng để sấy các VLS rời có thể sôi được như các loại hạt, tim sen, cơm dừa, nụ hoa…. Hệ thống này có thể gồm một hoặc nhiều tầng. Nguyên lý hoạt động của nó được mô tả theo hình 1.
Sơ đồ nguyên lý sấy tầng sôi 1 – Quạt; 2 – Buồng hòa trộn; 3 – Lớp vật liệu sấy; 4 – Buồng sấy; 5 – Cơ cấu nạp vật liệu; 6 – Buồng chứa sản phẩm; 7 – Xyclon. Tác nhân sấy từ buồng hoà trộn (2) được đưa vào dưới ghi buồng sấy. Ghi sấy là một tấm thép có nhiều lỗ (hoặc lưới thép) có kích thước thích hợp để tác nhân sấy đi qua mà các VLS không bị rơi xuống. Vật liệu sấy được cơ cấu nạp liệu (5) đổ xuống bề mặt ghi, tác nhân sấy có nhiệt độ cao, độ ẩm tương đối thấp đi qua lớp vật liệu (3) trong buồng sấy (4) với tốc độ thích hợp, nâng các VLS lên và làm cho chúng xáo trộn bập bùng trong dòng 5 tác nhân như một dịch thể đang sôi.
Trên đường thải tác nhân sấy có bố trí xyclon (7) để thu hồi những hạt nhỏ nhẹ bay theo tác nhân. Đặc trưng của hệ thống sấy tầng sôi là vật liệu sấy ở thể sôi trao đổi nhiệt ẩm với dòng tác nhân. Khi tốc độ tác nhân bé, lớp VLS nằm yên. Như vậy hệ thống sấy tầng sôi là một hệ thống sấy đối lưu mà đặc trưng của nó là VLS ở thể sôi trao đổi nhiệt ẩm với dòng tác nhân sấy nhưng không bay theo tác nhân.
Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước 1. Các nghiên cứu sấy bơm nhiệt ở trong nước Vào năm 1999 Phạm Văn Tùy đã nghiên cứu về sấy bơm nhiệt khi công bố kết quả nghiên cứu “Hiệu quả sử dụng bơm nhiệt sấy lạnh ở công ty bánh kẹo Hải Hà (HAIHACO)”, kết quả nghiên cứu này đã được đăng trên Tạp chí Khoa học và Công nghệ nhiệt, số 2, tháng 3/1999 [7]. Bốn năm sau đó Nguyễn Xuân Thủy đã có bài viết “Nghiên cứu quy trình và thiết bị sấy sạch rau quản bằng bơm nhiệt, được đăng trên Báo cáo tổng kết khoa học và kỹ thuật, Viện cơ điện nông nghiệp và công nghệ sau thu hoạch, trang 10-35. Cùng năm đó Phạm Văn Tuỳ, Vũ Huy Khuê, Nguyễn Khắc Tuyên cũng cho ra kết quả nghiên cứu của nhóm với tiêu đề “Nghiên cứu hút ẩm và sấy lạnh rau củ thực phẩm bằng bơm nhiệt máy nén”[9].
Nguyễn Trung Kiên, Bùi Trung Thành đã nghiên cứu thực nghiệm sấy màng đỏ hạt gấc bằng phương pháp sấy bơm nhiệt vào năm 2017. Nghiên cứu đã xác định nhiệt độ sấy 44,16°C, nhiệt độ ngưng tụ hơi nước tại dàn lạnh 14,30°C và vận tốc tác nhân sấy 2,6 m/s là các thông số tối ưu cho quá trình sấy, các thí nghiệm được bố trí theo quy hoạch thực nghiệm trực giao cấp 2 và được tối ưu hóa đa mục tiêu theo phương pháp bề mặt đáp ứng (RSM) [10]. Trong 2 năm 2017-2018 đề tài nghiên cứu cấp nhà nước “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo thiết bị chế biến tiêu xanh, tiêu đỏ và tiêu trắng ứng dụng công nghệ enzyme’’ được thực hiện tại Viện KHKT Nông Lâm nghiệp Tây Nguyên (WASI) Kết quả nghiên cứu đã xác định được chế độ sấy khi sử dụng máy sấy bơm nhiệt là 6 nhiệt độ sấy 30oC, ẩm độ không khí 40%, tốc độ gió 3m/s, thời gian sấy khoảng 40h thì cho sản phẩm hạt tiêu xanh có chất lượng tốt nhất [11]. Năm 2018 Nguyễn Thành Luân, Nguyễn Thế Bảo đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm sử dụng ống nhiệt trọng trường trên máy sấy bơm nhiệt.
Các tác giả đã thiết kế, chế tạo và thực nghiệm mô hình máy sấy bơm nhiệt công suất 1HP trong các trường hợp: không sử dụng ống nhiệt, sử dụng 10 ống nhiệt trọng trường và sử dụng 20 ống nhiệt trọng trường. Kết quả cho thấy mức tiêu hao năng lượng của máy sấy bơm nhiệt khi kết hợp ống nhiệt trọng trường lần lượt giảm 18,6% và 6,2% so với khi không sử dụng ống nhiệt trọng trường [12]. Gần đây nhất năm 2020 nghiên cứu thiết kế chế tạo và thực nghiệm sấy nấm mộc nhĩ và nấm bào ngư bằng máy sấy bơm nhiệt đã được Lê Anh Đức, Bùi Mạnh Tuân thực hiện. Kết quả khảo nghiệm đã nhận thấy rằng nhiệt độ sấy tối ưu cho nấm mộc nhĩ là 53oC còn đối với nấm bào ngư là 50oC [13].
Như vậy việc nghiên cứu ứng dụng, đánh giá hiệu quả của máy sấy bơm nhiệt đã được thực hiện từ cách đây hơn 23 năm cho đến hiện nay tại Việt Nam.
