Tổng quan nghiên cứu

Quá trình sấy là một công nghệ thiết yếu trong ngành công nghiệp chế biến nông sản và thực phẩm, đóng vai trò quan trọng trong việc bảo quản và nâng cao chất lượng sản phẩm. Theo ước tính, việc ứng dụng công nghệ sấy hiện đại giúp giảm thiểu tổn thất sau thu hoạch lên đến 30-40%. Trong đó, sấy bơm nhiệt tầng sôi là một phương pháp tiên tiến kết hợp ưu điểm của sấy bơm nhiệt và sấy tầng sôi, nhằm tối ưu hóa hiệu quả sấy và tiết kiệm năng lượng. Luận văn tập trung nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về máy sấy bơm nhiệt tầng sôi, với mục tiêu thiết kế, chế tạo mô hình công suất lạnh 2,61 kW và công suất nhiệt tương ứng, đồng thời khảo nghiệm quá trình sấy hoa Lavender – một loại nông sản có giá trị kinh tế cao và tiềm năng phát triển tại Việt Nam.

Nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM trong khoảng thời gian từ tháng 9/2022 đến tháng 6/2023. Phạm vi nghiên cứu bao gồm thiết kế hệ thống sấy, xây dựng phần mềm tính toán, chế tạo mô hình thực nghiệm và thực hiện các thí nghiệm sấy hoa Lavender với các biến số như nhiệt độ tác nhân sấy và độ dày lớp vật liệu sấy. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc giảm thời gian sấy, tiết kiệm năng lượng tiêu thụ và nâng cao chất lượng sản phẩm sấy, góp phần phát triển công nghệ sấy hiện đại phù hợp với điều kiện sản xuất trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên ba lý thuyết chính: lý thuyết tác nhân sấy (không khí ẩm), lý thuyết sấy bơm nhiệt và lý thuyết sấy tầng sôi.

  • Lý thuyết tác nhân sấy: Không khí ẩm được sử dụng làm tác nhân sấy do tính sẵn có, chi phí thấp và an toàn. Các thông số quan trọng gồm độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối, entanpi và áp suất hơi nước, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả quá trình sấy.

  • Lý thuyết sấy bơm nhiệt: Hệ thống bơm nhiệt hoạt động theo chu trình Carnot ngược, sử dụng môi chất lạnh R134a để tách ẩm và gia nhiệt cho tác nhân sấy. Quá trình sấy được điều khiển qua các thiết bị như dàn lạnh, dàn ngưng, máy nén và van tiết lưu, đảm bảo nhiệt độ sấy trong khoảng 33°C đến 52°C.

  • Lý thuyết sấy tầng sôi: Vật liệu sấy được đặt trên lớp ghi có lỗ, tác nhân sấy thổi từ dưới lên với vận tốc đủ để tạo trạng thái sôi cho lớp vật liệu. Các thông số quan trọng gồm vận tốc sôi tối thiểu, chiều cao lớp sôi, tổn thất áp suất qua lớp vật liệu và độ xốp của lớp hạt. Tiêu chuẩn đồng dạng Fedorov và các mô hình tính toán vận tốc sôi như Kozeny-Carman, Baeyens-Geldart được áp dụng để xác định các thông số này.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được chia thành ba giai đoạn chính:

  1. Nghiên cứu lý thuyết và tổng hợp tài liệu: Thu thập và phân tích các tài liệu trong và ngoài nước về công nghệ sấy bơm nhiệt, sấy tầng sôi và ứng dụng trong sấy hoa Lavender.

  2. Thiết kế, chế tạo mô hình và thực nghiệm: Xây dựng phần mềm tính toán thiết kế máy sấy bơm nhiệt tầng sôi công suất lạnh 2,61 kW, chế tạo mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm. Thực hiện các thí nghiệm sấy hoa Lavender với các biến số nhiệt độ tác nhân sấy (33°C đến 52°C) và độ dày lớp vật liệu (15mm đến 35mm). Dụng cụ đo gồm cân, ống đong, máy phân tích độ ẩm, thiết bị đo áp suất và tốc độ gió.

  3. Xử lý và phân tích số liệu: Sử dụng phần mềm Excel và Minitab để phân tích thống kê, xác định các hàm hồi quy mô tả thời gian sấy và năng lượng tiêu thụ riêng. Viết báo cáo tổng hợp kết quả nghiên cứu.

Cỡ mẫu thực nghiệm gồm 40 bó hoa Lavender tươi, với khối lượng riêng trung bình xác định là 172,9 kg/m³. Phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên nhằm đảm bảo tính đại diện cho vật liệu sấy.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chế tạo thành công mô hình máy sấy bơm nhiệt tầng sôi với công suất lạnh 2,61 kW và công suất nhiệt tương ứng, vận hành ổn định trong phạm vi nhiệt độ sấy từ 33°C đến 52°C.

  2. Xác định các thông số vật lý của hoa Lavender: khối lượng riêng trung bình 172,9 kg/m³, đường kính trung bình hạt tương đương 0,9 mm, độ ẩm ban đầu 75,1%. Vận tốc sôi tối thiểu của lớp hoa là 1,5 m/s, chiều cao lớp sôi dao động từ 40 mm đến 70 mm tùy theo độ dày lớp vật liệu.

  3. Phương trình hồi quy mô tả thời gian sấy (y₁) và năng lượng tiêu thụ riêng (y₂) được xác định theo dạng hàm bậc hai:

[ y_1 = 564 - 263.7 t - 45 d - 25 x ]

[ y_2 = 12.473 x ]

trong đó (t) là nhiệt độ tác nhân sấy, (d) là độ dày lớp vật liệu, và (x) là biến số liên quan đến điều kiện sấy.

  1. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ dày lớp vật liệu đến hiệu quả sấy: Khi tăng nhiệt độ tác nhân sấy từ 33°C lên 52°C, thời gian sấy giảm khoảng 35%, đồng thời năng lượng tiêu thụ riêng giảm đáng kể. Độ dày lớp vật liệu tăng từ 15mm lên 35mm làm tăng thời gian sấy trung bình 20%, do đó cần cân nhắc tối ưu giữa năng suất và chất lượng sản phẩm.

Thảo luận kết quả

Kết quả thực nghiệm cho thấy sự kết hợp giữa sấy bơm nhiệt và tầng sôi giúp tăng cường hiệu quả truyền nhiệt và truyền khối, rút ngắn thời gian sấy so với phương pháp sấy bơm nhiệt truyền thống. Việc xác định vận tốc sôi tối thiểu 1,5 m/s phù hợp với các mô hình lý thuyết và nghiên cứu trước đây về sấy tầng sôi các loại hạt tương tự. Phương trình hồi quy cung cấp công cụ dự báo chính xác thời gian sấy và năng lượng tiêu thụ, hỗ trợ thiết kế và vận hành máy sấy trong thực tế.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này khẳng định tính khả thi và hiệu quả của công nghệ sấy bơm nhiệt tầng sôi sử dụng môi chất R134a cho sản phẩm hoa Lavender. Việc duy trì nhiệt độ sấy dưới 52°C giúp bảo toàn màu sắc, mùi vị và các thành phần dược tính của hoa, phù hợp với yêu cầu bảo quản và chế biến sản phẩm cao cấp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đường cong sấy, biểu đồ tốc độ sấy và biểu đồ chỉ số SMER (Specific Moisture Extraction Rate) để minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các biến số đến hiệu quả sấy.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa vận tốc tác nhân sấy trong khoảng 1,5 m/s đến 3,4 m/s để duy trì chế độ sấy tầng sôi ổn định, giảm tổn thất áp suất và nâng cao hiệu quả truyền nhiệt. Thời gian thực hiện: 3-6 tháng; chủ thể: nhà sản xuất thiết bị và kỹ sư vận hành.

  2. Điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy tối ưu ở 50-52°C nhằm cân bằng giữa tốc độ sấy và bảo toàn chất lượng sản phẩm, giảm thiểu biến đổi dược tính của hoa Lavender. Thời gian thực hiện: 1-3 tháng; chủ thể: nhà nghiên cứu và kỹ thuật viên phòng thí nghiệm.

  3. Phát triển phần mềm tính toán thiết kế máy sấy dựa trên các hàm hồi quy đã xác định, hỗ trợ thiết kế nhanh và chính xác các hệ thống sấy bơm nhiệt tầng sôi cho các loại vật liệu khác nhau. Thời gian thực hiện: 6 tháng; chủ thể: nhóm nghiên cứu và lập trình viên.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy bơm nhiệt tầng sôi cho các loại nông sản khác như thảo dược, hạt giống, nông sản có giá trị cao nhằm đa dạng hóa sản phẩm và nâng cao hiệu quả kinh tế. Thời gian thực hiện: 1-2 năm; chủ thể: viện nghiên cứu và doanh nghiệp chế biến.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật nhiệt, công nghệ thực phẩm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực nghiệm chi tiết về công nghệ sấy bơm nhiệt tầng sôi, hỗ trợ phát triển đề tài và luận văn liên quan.

  2. Doanh nghiệp sản xuất và chế biến nông sản, thực phẩm: Áp dụng công nghệ sấy hiện đại để nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí năng lượng và tăng năng suất chế biến.

  3. Các kỹ sư thiết kế và vận hành thiết bị sấy: Sử dụng các kết quả tính toán, mô hình hồi quy và thông số kỹ thuật để thiết kế, vận hành máy sấy hiệu quả, đảm bảo chất lượng sản phẩm.

  4. Cơ quan quản lý và phát triển công nghệ: Tham khảo để xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển công nghệ sấy tiên tiến, thúc đẩy sản xuất sạch và bền vững trong ngành nông nghiệp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Máy sấy bơm nhiệt tầng sôi có ưu điểm gì so với máy sấy truyền thống?
    Máy sấy bơm nhiệt tầng sôi tiết kiệm năng lượng nhờ chu trình bơm nhiệt hiệu quả, đồng thời tăng tốc độ sấy nhờ chế độ sấy tầng sôi, giúp bảo toàn chất lượng sản phẩm và giảm thời gian sấy.

  2. Nhiệt độ sấy tối ưu cho hoa Lavender là bao nhiêu?
    Nhiệt độ tác nhân sấy tối ưu nằm trong khoảng 50-52°C, giúp giữ được màu sắc, mùi thơm và các thành phần dược tính của hoa, đồng thời rút ngắn thời gian sấy.

  3. Làm thế nào để xác định vận tốc sôi tối thiểu trong sấy tầng sôi?
    Vận tốc sôi tối thiểu được xác định bằng thực nghiệm và mô hình lý thuyết dựa trên tiêu chuẩn đồng dạng Fedorov, trong nghiên cứu này là 1,5 m/s đối với lớp hoa Lavender.

  4. Phương trình hồi quy thời gian sấy và năng lượng tiêu thụ có thể áp dụng cho các sản phẩm khác không?
    Phương trình này được xây dựng dựa trên đặc tính của hoa Lavender và điều kiện thí nghiệm cụ thể, tuy nhiên có thể được điều chỉnh và hiệu chỉnh để áp dụng cho các sản phẩm tương tự.

  5. Làm thế nào để giảm tổn thất áp suất qua lớp vật liệu sấy?
    Tổn thất áp suất giảm khi điều chỉnh vận tốc tác nhân sấy phù hợp, thiết kế lớp ghi có diện tích trống khoảng 40%, và duy trì độ dày lớp vật liệu hợp lý, giúp khí lưu thông hiệu quả mà không cuốn theo vật liệu.

Kết luận

  • Đã thiết kế, chế tạo thành công mô hình máy sấy bơm nhiệt tầng sôi công suất lạnh 2,61 kW, vận hành ổn định trong phạm vi nhiệt độ 33-52°C.
  • Xác định các thông số vật lý và vận tốc sôi tối thiểu của hoa Lavender, làm cơ sở cho thiết kế và vận hành hệ thống sấy.
  • Phương trình hồi quy mô tả chính xác thời gian sấy và năng lượng tiêu thụ riêng, hỗ trợ tối ưu hóa quá trình sấy.
  • Nghiên cứu khẳng định hiệu quả của công nghệ sấy bơm nhiệt tầng sôi trong việc giảm thời gian sấy và tiết kiệm năng lượng, đồng thời bảo toàn chất lượng sản phẩm.
  • Đề xuất các giải pháp tối ưu vận tốc, nhiệt độ và phát triển phần mềm thiết kế, mở rộng ứng dụng cho các loại nông sản khác trong thời gian tới.

Hành động tiếp theo: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế sản xuất thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu ứng dụng công nghệ sấy bơm nhiệt tầng sôi cho các sản phẩm nông nghiệp khác nhằm nâng cao giá trị gia tăng và phát triển bền vững ngành chế biến nông sản.