CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Cơ sở khoa học của quá trình sấy lạnh 1. Giới thiệu về phương pháp sấy lạnh 1. Định nghĩa về quá trình sấy Sấy là một quá trình tách ẩm (tách nước) ra khỏi vật liệu sấy và thải vào môi trường.
Sấy là một khâu quan trọng trong quy trình công nghệ của nhiều ngành công nghiệp chế biến nông – lâm – thủy sản và đặc biệt là trong ngành công nghệ thực phẩm. Để thực hiện quá trình sấy, người ta sử dụng các hệ thống sấy gồm các thiết bị như thiết bị sấy, buồng sấy, hầm sấy, tháp sấy,. các thiết bị đốt nóng tác nhân sấy, các thiết bị lạnh để khử ẩm, bơm, quạt… và các thiết bị khác [1]. Quá trình này được thực hiện bằng phương pháp nhiệt tại một nhiệt độ và áp suất xác, định.
Nhiệt được cung cấp cho vật liệu ẩm bằng dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ hoặc bằng năng lượng điện trường có tần số cao. Làm ẩm có trong vật liệu nhận được năng lượng theo một phương thức nào đó tách khỏi vật liệu sấy và dịch chuyển từ trong long vật thểra bề mặt, và từ bề mặt vào môi trường xung quanh [1]. Vật liệu sấy trước khi đem sấy thường có nguồn gốc thực vật, động vật hoặc khoáng vật, sản phẩm sấy được đem sử dụng ngay, bảo quản hoặc là bán thành phẩm của một quy trình công nghệ nào đó. Mục đích của quá trình sấy là giảm khối lượng, giảm công chuyên chở vận chuyển, giảm hoạt độ của nước, làm cho thực phẩm và vật liệu mất môi trường sống của sinh vật và kéo dài thời gian sử dụng; tăng độ bền cho sản phẩm bởi vì khi tách nước làm thay đổi các tính chất lưu biến về độ cứng, độ dẻo, độ dai, độ đàn hồi.; thay đổi hoặc làm tăng giá trị cảm quan của thực phẩm nhưng vẫn đảm bảo chấ lượng sản phẩm với mức chi phí năng lượng tối thiểu.TS NGUYỄN TẤN DŨNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI CHÍ NHÂN 1.
Định nghĩa về phương pháp sấy lạnh Sấy lạnh là phương pháp sấy bằng tác nhân là không khí rất khô ở nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ sấy thông thường. Dải nhiệt độ sấy từ 35-650C, độ ẩm không khí sấy vào khoảng 10-30%. Máy sấy lạnh được cấu thành bởi một máy bơm nhiệt được đặt trong một tủ sấy hoặc một hầm sấy tùy theo quy mô. Máy bơm nhiệt có một đầu nóng và đầu lạnh, đầu nóng sẽ cung cấp nhiệt lượng cho tác nhân sấy, còn đầu lạnh dùng để tách ẩm cho không khí sấy.
Do đó, một số nơi, còn gọi máy sấy lạnh là máy sấy bơm nhiệt [2]Bơm nhiệt là công nghệ mà vật liệu có thể được sấy khô ở nhiệt độ thấp và trong môi trường không có oxy, sử dụng ít năng lượng hơn so với các phương pháp sấy thông thường. Hai chu trình được thực hiện trong hệ thống sấy bơm nhiệt: (1) tuần hoàn môi chất lạnh trong hệ thống bơm nhiệt (2) tuần hoàn môi chất sấy trong hầm gió và buồng sấy. Quá trình trao đổi nhiệt giữa môi chất sấy và môi chất lạnh được thực hiện nhờ dàn bay hơi và dàn ngưng tụ. Môi chất sấy hút ẩm từ vật liệu trong máy sấy và có trao đổi nhiệt với hệ thống bơm nhiệt trong hệ thống sấy bơm nhiệt nên tính chất của nó sẽ ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của hệ thống sấy bơm nhiệt [3].1: Sơ đồ nguyên lý sấy lạnh GVHD: PGS.TS NGUYỄN TẤN DŨNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI CHÍ NHÂN 1.
Nguyên lý sấy lạnh Một hệ thống sấy lạnh bao gồm chủ yếu hai hệ thống phụ: bơm nhiệt (hệ thống làm lạnh) và buồng sấy. Máy bơm nhiệt có thể truyền nhiệt từ các nguồn nhiệt tự nhiên trong môi trường xung quanh (chẳng hạn như không khí, đất hoặc nước), hoặc từ chất thải công nghiệp hoặc sinh hoạt, hoặc từ phản ứng hóa học hoặc khí thải của máy sấy. Buồng sấy có thể là khay, tầng chất lỏng hoặc băng tải. Một hệ thống sấy lạnh cơ bản bao gồm một hệ thống bơm nhiệt (bao gồm máy nén, thiết bị ngưng tụ, van an toàn và thiết bị bay hơi), buồng sấy và mạch tuần hoàn không khí.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống sấy lạnh kín là không khí thải ra từ buồng sấy đi vào thiết bị bay hơi của bơm nhiệt, nơi nó được làm mát và hơi ẩm trong không khí được ngưng tụ và loại bỏ. Không khí khô và mát từ thiết bị bay hơi sau đó đi vào thiết bị ngưng tụ của bơm nhiệt và được làm nóng. Sau đó, không khí khô và nóng đi vào buồng sấy và hấp thụ độ ẩm trong vật liệu được sấy khô trong máy sấy và trở thành hơi ẩm ở đầu ra của máy sấy, và chu kỳ lặp lại. Bởi vì bơm nhiệt lấy nhiệt trong không khí thải ra để làm nóng không khí đi vào máy sấy đồng thời loại bỏ độ ẩm trong không khí thải ra, nên nó đạt được hiệu suất năng lượng cao trong quá trình sấy khô các vật liệu sinh học nhạy cảm với nhiệt và oxy.
Trong một chu kỳ mở, không khí thải ra không được tái lưu và hệ thống sấy sử dụng không khí xung quanh làm nguồn cấp nhiệt Theo hình 1.2, Cho 1,2,3,4 lần lượt là các điểm trạng thái sấy tương ứng, xem như không thất thoát nhiệt, và không khí đối lưu 100%, chu trình sấy bơm nhiệt được thể hiện trên giản đồ I-D (hình 1.3) có thể chia thành các giai đoạn sau: - Giai đoạn 1 - 2: Không khí sấy đi qua buồng sấy mang ẩm từ vật liệu sấy nên tỉ lệ ẩm sẽ tăng lên và nhiệt độ sẽ giảm xuống, khi sấy với nhiệt độ thấp ngang bằng nhiệt độ vật liệu thì nhiệt độ giai đoạn 1-2 sẽ thẳng đứng (Nhiệt độ bầu khô không đổi) GVHD: PGS.TS NGUYỄN TẤN DŨNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI CHÍ NHÂN - Giai đoạn 2 - 3: Không khí sấy đi qua bộ bay hơi (dàn lạnh) sẽ giảm nhiệt độ về trạng thái bão hòa, sau đó giảm tiếp về nhiệt độ giảm sương và hơi nước trong không khí ngưng tụ, tách ra ngoài. - Giai đoạn 3 - 4: Không khí sấy ở trạng thái điểm sương sẽ tiếp tục đi qua bộ ngưng tụ (Dàn nóng) và tăng nhiệt độ lên lại. - Giai đoạn 4 - 1: Không khí sấy tiếp tục đi qua giai đoạn cấp nhiệt phụ để đạt đến nhiệt độ sấy yêu cầu và tiếp tục trở lại chu trình kín. Khi thiết kế máy sấy bơm nhiệt, công suất máy sấy bơm nhiệt sẽ được tính toán theo khả năng tách ẩm, còn nhiệt độ sấy sẽ được tính theo tổng công suất tỏa nhiệt của dàn nóng và bộ phận cấp nhiệt phụ.2: Nguyên lý sấy lạnh Động học quá trình sấy lạnh Động học quá trình sấy khảo sát sự thay đổi của các thông số đặc trưng của vật liệu sấy trong quá trình sấy.
Các thông số đó thường là độ chứa ẩm u, độ ẩm ω, nhiệt độ vật sấy (tv), tốc độ sấy,. Các thông số này thay đổi theo thời gian và phụ thuộc vào quá trình trao đổi nhiệt của vật liệu với môi thường xung quanh.TS NGUYỄN TẤN DŨNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI CHÍ NHÂN Để xác định u = f (x, y, z, τ) và t = f (x, y, z, τ) bằng giải tích, cần phải giải các phương trình vi phân phi tuyến tính rất phức tạp. Vì thế khi nghiên cứu về động học sấy thường dùng phương pháp thực nghiệm để xác định các thông số đó, đồng thời có thể mô tả rõ các giai đoạn diễn biến của quá trình sấy[8]. Sự thay đổi độ ẩm và nhiệt độ tại mỗi phần của vật phụ thuộc vào cường độ và quan hệ của các quá trình trao đổi nhiệt, chất trong lòng vật và trên bề mặt vật dưới tác dụng của môi trường xung quanh vật sấy.
Trao đổi nhiệt và chất bên trong vật là quá trình rất phức tạp bị ảnh hưởng của dạng liên kết ẩm trong vật thể. ❖ Vật liệu ẩm Vật liệu ẩm (VLA) là những vật có chứa một khối lượng nước và hơi nước. Có thể xem VLA gồm hai phần là chất rắn và ẩm (nước và hơi nước), phần rắn gọi là vật khô tuyệt đối (VKTĐ). Trạng thái ẩm của vật liệu được biểu thị qua độ ẩm tuyệt đối, độ ẩm tương đối (toàn phần), độ ẩm cân bằng, độ chứa ẩm và nồng độ ẩm.
Sự liên kết giữa ẩm với vật khô phụ thuộc vào tính chất của chất lỏng, cấu trúc vật và môi trường hình thành liên kết đó [8] ❖ Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tuyệt đối (�0 ) là tỉ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng VKTĐ. Nếu kí hiệu Ga là khối lượng ẩm chứa trong vật liệu (đơn vị: kg) và Gk là khối lượng VKTĐ (kg), ta có: �0 = ��� × 100 (%) (1.1) � ❖ Độ ẩm tương đối Độ ẩm tương đối hay còn gọi là độ ẩm toàn phần. Đây là tỉ số giữa khối lượng ẩm chứa trong vật với khối lượng của toàn bộ vật liệu ẩm. Ta có: GVHD: PGS.TS NGUYỄN TẤN DŨNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI CHÍ NHÂN ω = ��� × 100 (%) (1.2) Trong đó G là khối lượng vật liệu ẩm, G = Ga + Gk, kg.
Độ ẩm toàn phần có giá trị từ 0 đến 100%. Vật có độ ẩm toàn phần 0% là VKTĐ và 100% là vật toàn nước. Độ ẩm cân bằng Vật liệu có khả năng trao đổi ẩm với môi trường xung quanh (MTXQ) như hút ẩm hoặc thoát ẩm để đạt tới trạng thái cân bằng ẩm. Khi ở trạng thái này độ chứa ẩm trong vật liệu là đồng đều và phân áp suất hơi nước (PASHN) trên bề mặt vật liệu bằng với PASHN của môi trường xung quanh (thường là môi trường không khí ẩm).
Tại độ ẩm cân bằng không còn sự trao đổi ẩm giữa vật với môi trường xung quanh nữa, do đó trạng thái của MTXQ có ý nghĩa lớn trong kỹ thuật sấy và bảo quản vật liệu. Độ chứa ẩm Độ chứa ẩm là tỉ số giữa lượng ẩm chứa trong vật với lượng VKTĐ, kí hiệu là u.3) �� Đại lượng này dùng để biểu thị sự phân bố ẩm trong từng vùng khác nhau hay trong toàn bộ vật. Nếu ẩm phân bố đều trong toàn vật thì giá trị giữa độ ẩm và độ ẩm tuyệt đối bằng nhau. Vật liệu sấy Vật liệu sấy là phần đã bị tách một phần hay toàn bộ lượng ẩm.
Thông thường vật liệu ẩm được sấy đến độ ẩm phù hợp nào đó chứ không sấy đến mức chỉ còn chất khô tuyệt đối. Đối tượng sấy GVHD: PGS.TS NGUYỄN TẤN DŨNG KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: BÙI CHÍ NHÂN Đối tượng sấy là vật liệu ẩm đang sấy hay sẽ sấy.