CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Cơ sở khoa học của quá trình sấy lạnh 1.1 Khái niệm về bơm nhiệt Sấy lạnh là một phương pháp bảo quản thực phẩm, nông sản nhằm nâng cao chất lượng và kéo dài thời gian bảo quản của sản phẩm. Sấy lạnh hay còn gọi là sấy bơm nhiệt. Đây là phương pháp sử dụng tác nhân sấy là không khí ẩm.
Không khí ẩm sẽ được làm giảm độ ẩm tương đối để tạo ra sự chênh lệch áp suất giữa không khí và vật liệu sấy. Nguyên tắc của phương pháp sấy lạnh là sự chênh lệch nhiệt độ giữa tác nhân sấy và vật liệu sấy. Tác nhân sấy đi từ bên ngoài vào thiết bị bay hơi của hệ thống lạnh (bơm nhiệt). Tại đây, dưới tác động của nhiệt độ thấp, không khí được làm lạnh dưới điểm đọng sương của nước trong không khí.
Nước trong không khí sẽ được ngưng tụ tách ra làm cho không khí trở nên khô hơn, áp suất riêng phần trong không khí giảm dần về 0, sau đó không khí đi qua thiết bị ngưng tụ để thực hiện trao đổi nhiệt, giúp đốt nóng tác nhân sấy, làm nhiệt độ của chúng tăng lên từ khoảng 35- 50oC, sau đó tác nhân sấy sẽ đi vào buồng sấy để sấy vật liệu ẩm. Do nhiệt độ môi trường sấy không cao, nên chất lượng sản phẩm sau khi trải qua quá trình sấy sẽ tốt hơn, đảm bảo giữ lại các giá trị cảm quan [1] Sấy lạnh là phương pháp tối ưu để hạn chế sự mất mát hàm lượng dinh dưỡng của thực phẩm, nông sản, đồng thời giữ lại các tính chất, giá trị ban đầu của chúng. Phương pháp sấy lạnh được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn,đời sống, tuy nhiên thời gian sấy thường kéo dài nhiều tiếng. Thông thường phương pháp này sẽ được thực hiện trong điều kiện áp suất khí quyển, dùng không khí khô để sấy các loại thực phẩm, nhiệt độ sấy thấp hơn so với các phương pháp sấy khô khác.
Lịch sử hình thành và phát triển của bơm nhiệt Máy bơm nhiệt đã được Kelvin Thomson phát minh vào năm 1852. Đây là một hệ thống máy bơm hoạt động không theo một chu trình khép kín, tuy nhiên sự phát minh của ông đã mở ra những cơ hội mới cho việc nghiên cứu về chu trình làm lạnh, chu kỳ nén hơi sau này. Sau đó Krauss, tiếp theo là Morley cũng đã kế thừa phát minh này, họ tiếp tục nghiên cứu , phát triển tiềm năng và ứng dụng của máy bơm nhiệt. Những thành tựu lớn nhất của máy bơm nhiệt bắt đầu xuất hiện từ những năm 1940 khi hàng loạt các bơm nhiệt có công suất lớn được lắp thành công ở nhiều nước PGS.TS: NGUYỄN TẤN DŨNG Trang 4 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: TRẦN MỸ UYÊN Châu Âu.
Đầu thập kỷ 70, cuộc khủng hoảng năng lượng xảy ra, máy bơm nhiệt lại có những thành tựu mới. Việc sử dụng máy bơm nhiệt ngày càng được gia tăng và trở nên phổ biến. Hàng loạt máy bơm nhiệt được nghiên cứu chế tạo và được bán rộng rãi trên thị trường. Ở Hoa Kỳ có khoảng 70 nhà sản xuất, chế tạo máy bơm nhiệt, trong đó chiếm hơn 80% tổng doanh thu bán ra.
Ngày nay, máy bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong đời sống hiện đại, nó được ứng dụng vào thực tiễn với các mục đích khác nhau như: điều hòa không khí, sấy, hút ẩm, hệ thống lạnh.[3] Ứng dụng bơm nhiệt quy mô lớn đầu tiên ở miền Nam nước Mỹ. Một số hệ thống bơm nhiệt đã được áp dụng ở Thụy Sỹ từ những năm chiến tranh từ năm 1938 đến 1945. Người ta sử dụng bơm nhiệt để cung cấp nhiệt cho nhà máy dệt lụa, hầm lên men bia. Ở Vương Quốc Anh, bơm nhiệt được sử dụng để đun nóng nguồn nước và hệ thống thủy điện.
Bơm nhiệt được sử dụng phổ biến ở Nhật Bản, Hoa Kỳ, Pháp và các nước phương Tây. Máy bơm nhiệt được xem là giải pháp thay thế thiết thực và kinh tế trong việc sưởi ấm , tạo năng lượng. Các phương pháp sấy lạnh 1. Nguyên lí sấy lạnh Quá trình sấy lạnh diễn ra trong điều kiện áp suất khí quyển, được vận hành theo một quy trình khép kín, nghiêm ngặt.
Tác nhân sấy trong nguyên tắc sấy lạnh là không khí ẩm, lượng không khí này sẽ được xử lý tách ẩm trước khi đưa vào buồng sấy.Quá trình sấy lạnh diễn ra 2 giai đoạn, đầu tiên là giai đoạn tạo ra dòng không khí sấy khô và lạnh, không khí ẩm sẽ được làm lạnh đến dưới nhiệt độ đọng sương của hơi nước, ẩm tách ra và sau đó dòng không khí này sẽ được làm nóng ở dàn lạnh đến khi nhiệt độ đạt khoảng 30-50oC, độ ẩm từ 10-30% thì sẽ được đưa vào buồng sấy, chuyển động tuần hoàn để sấy vật liệu. Tại buồng sấy, dưới sự chênh lệch áp suất riêng của hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy với áp suất riêng của hơi nước trong tác nhân sấy, hơi nước ở vật liệu sấy sẽ tự bay hơi và hàm lượng ẩm trong vật liệu sấy giảm dần. Nhiệt độ sấy lạnh thấp, thường dao động trong khoảng 40-45°C nên chất lượng sản phẩm sẽ ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, giữ lại toàn vẹn màu sắc, hương vị, sản phẩm có chất lượng tốt, đem lại giá trị kinh tế cao.TS: NGUYỄN TẤN DŨNG Trang 5 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: TRẦN MỸ UYÊN Hình 1. Sơ đồ nguyên lí của hệ thống sấy lạnh 1.
Đặc điểm của quá trình truyền nhiệt, truyền chất Trong công nghệ sấy lạnh, thế sấy của không khí tăng lên thông qua các quá trình tách hơi ẩm ở thiết bị bay hơi và quá trình gia nhiệt ở thiết bị ngưng tụ. Quá trình truyền nhiệt và truyền chất có mối quan hệ liên kết lẫn nhau trong quá trình sấy lạnh. Quá trình làm lạnh không khí là yếu tố quan trọng nhất để tác nhân sấy có nhiệt độ và độ chứa hơi (d) nhỏ đảm bảo cho quá trình truyền nhiệt, truyền chất giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy xảy ra ở điều kiện gradient nhiệt độ và gradient áp suất cùng chiều. So sánh với các phương pháp sấy nóng, quá trình truyền nhiệt và truyền chất ở công nghệ sấy lạnh không xảy ra hiệu ứng Luikov A.
Đây là hiệu ứng cản trở, ảnh hưởng đến quá trình sấy. Ngoài ra quá trình tách ẩm ở dàn lạnh, yếu tố chiếm vai trò quyết định là chiều dài ống dẫn của dòng không khí. Vì vậy, việc thiết kế, tính toán chế độ , cấu tạo của dàn lạnh có vai trò vô cùng quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình truyền nhiệt và truyền chất trong hệ thống sấy lạnh. Ưu, nhược điểm của kĩ thuật sấy lạnh a) Ưu điểm Phương pháp sấy lạnh được ứng dụng rộng rãi trong thực tiễn vì nó có rất nhiều ưu điểm như: việc sử dụng nguồn nhiệt độ thấp thích hợp để sấy các loại vật liệu không chịu được nhiệt độ cao, các loại thực phẩm dễ biến tính khi gặp nhiệt độ cao như: rau quả, trái cây, thực phẩm dồi dào vitamin, khoáng chất.Thời gian sấy lâu nhưng sản phẩm có chất lượng cao, giữ nguyên vẹn các giá trị cảm quan, màu sắc, hương vị, đặc biệt là khả năng giữ mùi , ít tổn thất hàm lượng dinh dưỡng nhất so với các phương pháp sấy khô khác.TS: NGUYỄN TẤN DŨNG Trang 6 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: TRẦN MỸ UYÊN Ngoài ra, hệ thống sấy lạnh có khả năng tự động hóa cao, thiết bị dễ vận hành, an toàn với con người, khả năng hút ẩm cao, hệ thống tuần hoàn, khép kín.
Phương pháp sấy lạnh còn giúp tiết kiệm năng lượng hiệu quả, năng suất thiết bị cao. Trước những ưu điểm vượt trội, hệ thống sấy lạnh được ứng dủng rộng rãi trong đời sống và được xem là phương pháp tối ưu nhất trong công cuộc cải tiến chất lượng và kéo dài thời gian bảo quản sản phẩm.[1] b) Nhược điểm So với những ưu điểm vượt trội trên thì phương pháp sấy lạnh cũng có một số nhược điểm cần khắc phục sau: thời gian sấy lạnh thường rất lâu từ 8-16 giờ do nhiệt độ sấy lạnh thấp, chi phí chế tạo máy móc thiết bị cao do sử dụng công nghệ tiên tiến nhất, do vậy một số chi phí phát sinh khác như chi phí lắp đặt, sửa chữa, thay thế , bảo trì cũng thường rất đắt. Tuy nhiên, không phải loại thực phẩm nào cũng áp dụng được phương pháp sấy lạnh. Độ ứng dụng cho các loại thực phẩm không đa dạng, do sấy ở nhiệt độ thấp và thời gian lâu , thường phù hợp cho các loại thực phẩm bị biến tính ở nhiệt độ cao , quý hiếm như sâm, đông trùng hạ thảo, dược liệu.Khả năng điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy theo yêu cầu công nghệ thấp.[1] Việc hệ thống sấy lạnh sử dụng chất tải lạnh không thân thiện với môi trường như R22 là một nhược điểm rất lớn.
Ngoài ra, do việc giới hạn của nhiệt độ của tác nhân lạnh tại thiết bị ngưng tụ của hệ thống bơm nhiệt theo chu trình Carnot, đôi khi hệ thống không thể gia nhiệt được tác nhân sấy bằng hoặc cao hơn nhiệt độ giới hạn đã đặt ra. Vì vậy , việc lắp đặt thêm một hệ thống gia nhiệt để hỗ trợ hệ thống sấy lạnh làm việc hiệu quả hơn rấ cần thiết. Đây là một giải pháp tối ưu để cải tiến công nghệ này. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy lạnh 1.
Nhiệt độ Nhiệt độ sấy là tác nhân đóng vai trò vô cùng quan trọng vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng và các giá trị cảm quan của sản phẩm. Mỗi một chế độ sấy sẽ cho ra sản phẩm có chất lượng khác nhau. Nhiệt độ sấy tỉ lệ thuận với thời gian, tốc độ và năng suất hoạt động của hệ thống sấy lạnh. Nhiệt độ càng cao thì tốc độ sấy càng nhanh, thời gian càng được rút ngắn và nhưng nhiệt độ cao sẽ làm ảnh hưởng đến giá trị cảm quan của sản phẩm PGS.TS: NGUYỄN TẤN DŨNG Trang 7 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: TRẦN MỸ UYÊN Nhiệt độ cao còn làm tăng tốc độ truyền nhiệt, tốc độ bay hơi.Nhiệt độ sấy trong công nghệ sấy lạnh được giới hạn một khoảng nhất định cho phép vì nếu nhiệt độ quá cao không chỉ làm ảnh hưởng đến chất lượng vật liệu sấy, mà còn làm mất đi các giá trị dinh dưỡng trong thực phẩm, bề mặt vật liệu sấy co nhúm, giảm mùi hương, sậm màu.
Quá trình bay hơi làm khô các chất tan ở bề mặt vật liệu sấy, các phản ứng lý hóa phức tạp trong vật liệu sấy diễn ra, tạo nên lớp vỏ bề mặt cứng,dẫn đến tốc độ sấy giảm và làm cho sản phẩm có bề mặt khô,nhưng bên trong thì vẫn ẩm.