CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG SẤY LẠNH 1. Cơ sở khoa học 1. Giới thiệu về hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt Trong phương pháp sấy lạnh người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy (VLS) và tác nhân sấy (TNS) bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong TNS nhờ giảm độ chứa ẩm d. Với HTS này, TNS thông thường là không khí trước hết được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc khử ẩm hấp phụ, sau đó được đốt nóng (nếu khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh) hoặc được làm lạnh (nếu khử ẩm bằng phương pháp hấp phụ) đến nhiệt độ mà yêu cầu công nghệ đặt ra rồi cho đi qua vật liệu sấy.
Khi đó do phân áp suất trong TNS bé hơn phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật nên ẩm từ dạng lỏng trên bề mặt VLS bay hơi vào TNS, kéo theo sự dịch chuyển ẩm trong lòng vật ra bề mặt. Như vậy, quy luật dịch chuyển ẩm trong HTS lạnh hoàn toàn giống như trong các hệ thống sấy đối lưu nói chung. Điều khác nhau ở đây chỉ là cách giảm phân áp suất hơi nước trong TNS. Sơ đồ thiết bị của hệ thống sấy lạnh Hình 1.Sơ đồ thiết bị của hệ thống sấy lạnh SVTH: Trần Anh Tuấn Trang 5 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.
Nguyễn Tấn Dũng 1. Nguyên lí làm việc sấy lạnh (sấy bơm nhiệt) Hình 1.Nguyên lí làm việc của máy sấy lạnh Sấy bơm nhiệt là quá trình sấy với tác nhân sấy là không khí được đưa vào thiết bị bay hơi của hệ thống lạnh (hệ thống bơm nhiệt) để hạ nhiệt độ xuống dưới điểm đọng sương. Hơi nước trong không khí bị ngưng tụ tách ra làm cho không khí có độ chứa hơi và áp suất riêng phần hơi nước trong không khí giảm về 0 (nhưng không thể bằng 0), được dẫn qua thiết bị ngưng tụ của hệ thống lạnh (hệ thống bơm nhiệt) để đốt nóng, nhiệt độ không khí tăng lên đến nhiệt độ ngưng tụ môi chất lạnh ở thiết bị ngưng tụ. Sau đó, không khí được dẫn vào buồng sấy chứa sản phẩm.
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 (tác nhân sấy), hơi nước ở sản phẩm tự bốc hơi và làm khô sản phẩm. Do nhiệt độ môi trường sấy thấp, cao nhất khoảng 35 ÷ 45oC, nên chất lượng sản phẩm ít bị ảnh hưởng so với ban đầu, đảm bảo giá trị kinh tế [2],[3]. Máy sấy lạnh hoạt động dựa trên nguyên lý sau: Tác nhân sấy là không khí ẩm được xử lý tách ẩm trước khi đưa vào buồng sấy. Nguyên tắc tách ẩm tác nhân sấy bằng cách sử dụng dàn lạnh của máy lạnh để làm giảm nhiệt độ của tác nhân sấy dưới nhiệt độ điểm sương để hơi nước trong không khí ẩm ngưng tụ và được thải ra ngoài.
SVTH: Trần Anh Tuấn Trang 6 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng Ở trạng thái này không khí có độ ẩm = 100% và nhiệt độ không khí thấp. Do đó ta phải gia nhiệt cho không khí bởi dàn nóng của máy lạnh rồi đưa vào buồng sấy để thực hiện quá trình sấy [2],[3]. Phân loại hệ thống sấy lạnh Trong các hệ thống sấy lạnh, nhiệt độ VLS có thể trên dưới nhiệt độ môi trường (t>0) và cũng có thể nhỏ hơn 00C.
Sấy lạnh có ưu diểm là chất lượng sản phẩm sấy tốt nhất trong HTS phức tạp. [1] Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 00C Với những hệ thống sấy mà nhiệt độ vật liệu sấy cũng như nhiệt độ tác nhân sấy xấp xỉ nhiệt độ môi trường, tác nhân sấy thường là không khí được khử ẩm bằng phương pháp làm lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm phụ sau đó được đốt nóng hoặc làm lạnh đến các nhiệt độ yêu cầu rồi cho đi qua vật liệu sấy. Khi đó do phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy bé hơn phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy mà ẩm từ dạng lỏng bay hơi đi vào tác nhân sấy. Như vậy, quy luật dịch ẩm trong lòng vật và từ bề mặt vật vào môi trường trong các hệ thống sấy lạnh này hoàn toàn giống như trong các hệ thống sấy nóng.
Điều khác nhau ở đây là cách giảm pam bằng cách đốt nóng tác nhân sấy (d=const) để tăng áp suất bão hòa dẫn đến giảm độ ẩm tương đối. Hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ tác nhấn sấy bằng nhiệt độ môi trường thì ta sẽ tìm cách giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy pam bằng cách giảm lượng chứa ẩm d kết hợp với quá trình làm lạnh (sau khử ẩm bằng hấp thụ) hoặc đốt nóng (sau khử ẩm bằng lạnh) [1] Ưu điểm: Năng suất hút ẩm của phương pháp này khá lớn Khả năng giữ chất lượng, hàm lượng dinh dưỡng sản phẩm cũng khá tốt (phụ SVTH: Trần Anh Tuấn Trang 7 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng thuộc vào nhiệt độ sấy) Nhược điểm: Chi phí đầu tư ban đầu khá lớn do phải sử dụng cả máy hút ẩm chuyên dụng và máy lạnh Chất hút ẩm phải thay thế theo định kì Vận hành khá phức tạp nên chi phí vận hành lớn Điện năng tiêu tốn lớn do cần chạy máy lạnh và đốt nóng dây điện trở để hoàn nguyên chất hấp phụ Lắp đặt phức tạp, khó điều chỉnh các thông số để phù hợp với công nghệ Trong môi trường có bụi, cần dùng máy để vệ sinh chất hấp thụ, tuổi thọ thiết bị giảm Hệ thống sấy thăng hoa Sấy thăng hoa là quá trình tách nước ra khỏi sản phẩm từ thể rắn sang thể hơi trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp, dưới điểm kết tinh của độ ẩm trong sản phẩm (Tk < 0oC, áp suất dưới 4,58 mmHg) hay còn gọi là điểm ba thể O (0,0098oC; 4,58 mmHg). Nhờ đó mà sản phẩm sau khi sấy gần như vẫn giữ nguyên được chất lượng tự nhiên ban đầu của nguyên liệu: glucid không bị hồ hóa, protein không bị biến tính và thủy phân, lipid không bị oxi hóa, vitamin và các chất sinh học không hầu như được giữ lại, màu sắc và hương vị không đổi, các chất xơ và chất khoáng được bảo toàn, Đặc biệt là sản phẩm có cấu trúc xốp, khi ngâm vào nước sẽ hoàn nguyên trở lại trạng thái ban đầu, điều mà các phương pháp khác không thể thực hiện được.
[2] Ưu điểm: Phương pháp gần như bảo toàn chất lượng sinh, hóa học của thực phẩm bao gồm: màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính… Nhược điểm: Chi phí dầu tư cao, phải dùng đồng thời bơm chân không và máy SVTH: Trần Anh Tuấn Trang 8 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng lạnh ( để kết đông sản phẩm làm ngưng kết hơi nước) Hệ thống cồng kềnh nên vận hành phức tạp, chi phí vận hành và bảo dưỡng lớn. Sấy 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 Sấy chân không là phương pháp sấy trong môi trường áp suất trong buồng sấy thấp hơn áp suất khí quyển hoặc gần như chân không. Vật sấy được đưa vào buồng kín, sau đó sử dụng máy bơm chân không để tạo môi trường chân không.
Môi trường chân không mà chúng ta tạo ra thì áp suất rất nhỏ. Ở môi trường áp suất nhỏ nước sẽ sôi ở nhiệt độ rất thấp khoảng 30 - 40⁰C. Khi nước sôi đồng nghĩa với sự bốc hơi nước diễn ra rất nhanh làm cho vật sấy khô nhanh hơn với sấy nhiệt thông thường [3],[4],[5]. Sấy chân không có hai loại là sấy chân không nhiệt độ thường và sấy chân không nhiệt độ thấp.
Thiết bị sấy chân không sử dụng cách thải ẩm bằng máy hút chân không, cấp nhiệt cho vật liệu sấy bằng bức xạ hay dẫn nhiệt. Ưu điểm: Phương pháp này giữ được chất lượng sản phẩm, đảm bảo điều kiện vệ sinh Nhược điểm: Hệ thống có chi phí đầu tư lớn, vận hành phức tạp Phương pháp sấy chân không thường chỉ sấy các loại vật liệu sấy là các sản phẩm quý, dễ biến chất Do tính phức tạp và không kinh tế nên các hệ thống sấy thăng hoa và hệ thống sấy chân không chỉ dùng để sấy những vật liệu quý hiếm, không chịu được nhiệt độ cao. Vì vậy, hệ thống sấy này là những hệ thống sấy chuyên dùng, không phổ biến. Các công trình nghiên cứu ứng dụng hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt trong và ngoài nước SVTH: Trần Anh Tuấn Trang 9 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: PGS.
Nguyễn Tấn Dũng 1. Các tác giả trong nước Nguyễn Tấn Dũng, Phimmavong Khiany (2016): Tính toán thiết kế hệ thống sấy lạnh rau quả với năng suất 2 tấn/mẻ, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Nguyễn Tấn Dũng, Đặng Thị Cương (2018), Nghiên cứu công nghệ sản xuất sản phẩm bột rau má bằng phương pháp sấy lạnh: Luận văn thạc sĩ, Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh Phạm Văn Tuỳ và cộng sự (2003): đã nghiên cứu thành công công nghệ sấy lạnh bằng bơm nhiệt và đã ứng dụng sấy một số sản phẩm như: cà rốt, củ cải, hành lá.
Kết quả thu được là các sản phẩm sau khi sấy vẫn giữ được màu sắc tự nhiên dù đã sấy rất khô, hàm lượng vitamin C ở mức cao hơn hẳn so với các sản phẩm rau quả sấy bằng các phương pháp không khí nóng hay hồng ngoại, chi phí năng lượng sử dụng cũng thấp hơn các công nghệ sấy khác (giảm 45%) [6]. Trần Đại Tiến và các cộng sự (2004): đã nghiên cứu công nghệ sấy lạnh cho sản phẩm mực lột da. Kết quả là chất lượng sản phẩm rất tốt đồng thời rút ngắn được thời gian sấy [7]. Hoàng Ngọc Đồng (2009): đã nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên mô hình thiết bị sấy thực tế ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt.
Các kết quả nghiên cứu về ảnh hưởng của cấu tạo của dàn lạnh đến khả năng tách ẩm và đến khả năng sấy của hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt. Từ đó đề xuất một số phương pháp làm tăng khả năng làm lạnh, tách ẩm của dàn lạnh nhằm nâng cao hiệu quả bơm nhiệt [8]. Phan Thị Hồng Thanh, Phạm Văn Tùy (2010): đã xác định các thông số chế độ hợp lý khi sấy lạnh hành tây bằng hệ thống sấy bơm nhiệt máy nén BK- BSH1. Các kết quả là chất lượng hành tây sấy tốt nhất và năng suất sấy cao nhất ở khối lượng vật sấy 10kg, hệ số hồi lưu 55%, tốc độ tác nhân sấy 2m/s, nhiệt độ tác nhân sấy 340C [9].