CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Cơ sở khoa học của quá trình sấy lạnh 1. Nguyên lý của quá trình sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt Phương pháp sấy lạnh là phương pháp tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy nhờ giảm độ chứa ẩm. Với hệ thống sấy này, tác nhân sấy 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 tác nhân sấy bé hơn phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật nên ẩm từ dạng lỏng trên bề mặt vật liệu sấy bay hơi vào tác nhân sấy, kéo theo sự dịch chuyển ẩm trong lòng vật ra bề mặt. Như vậy, quy luật dịch chuyển ẩm trong hệ thống sấy 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 tác nhân sấy [1].1 Sơ đồ nguyên lý của máy sấy lạnh có bơm cấp nhiệt 4 Hiện nay có nhiều loại công nghệ sấy lạnh đi cùng với các hệ thống bơm nhiệt khác nhau được nghiên cứu để ứng dụng vào việc sấy lạnh các loại rau quả nói chung và táo nói riêng. Trong đó các loại phổ biến như: Hệ thống sấy bơm nhiệt nguồn không khí: hệ thống sấy bơm nhiệt nguồn không khí chủ yếu được sử dụng là hệ thống máy sấy bơm nhiệt với chu trình kín.
Ngoài ra còn có hệ thống sấy bơm nhiệt bay hơi hai giai đoạn nguyên mẫu đã được Chua và Chou [2] thiết kế, chế tạo và thử nghiệm với mục đích tăng cường khả năng thu hồi nhiệt. Hệ thống sấy bơm nhiệt địa nhiệt: hệ thống sấy bơm nhiệt địa nhiệt dù cũng được nghiên cứu khá nhiều nhưng khả năng ứng dụng còn khá hạn chế. Hệ thống này chủ yếu được cấu tạo nên từ ba hệ thống nhỏ hơn bao gồm: bộ trao đổi nhiệt nguồn đất, hệ thống bơm nhiệt và buồng sấy. Trong hệ thống này, nhiệt được thu từ mặt đất bằng bộ trao đổi nhiệt nguồn đất, nơi dung dịch nước và chất chống đông được lưu thông.
Sau đó nhiệt được truyền đến chất làm lạnh trong bộ bay hơi, được nâng cấp trong hệ thống bơm nhiệt và được cung cấp cho buồng sấy. Tại đây, nhiệt được truyền vào không và không khí được làm nóng này đi vào buồng sấy [3]. Hệ thống sấy bơm nhiệt hóa học: Hệ thống sấy bơm nhiệt hóa học được đề xuất là một trong những công nghệ có tiềm năng trong việc sử dụng năng lượng hiệu quả trong quá trình sấy. Hệ thống này có thể lưu trữ năng lượng nhiệt từ các nguồn năng lượng như nhiệt thải từ khí thải của máy sấy, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, v.
dưới dạng năng lượng hóa học thông qua các phản ứng thu nhiệt trong lò phản ứng được thiết kế phù hợp. Sau đó có thể giải phóng năng lượng ở nhiều mức nhiệt độ khác nhau bằng các phản ứng tỏa nhiệt/thu nhiệt [4]. Hệ thống sấy bơm nhiệt hỗn hợp: Hệ thống sấy bơm nhiệt hỗn hợp là sự kết hợp của sấy bơm nhiệt với các loại sấy khác chẳng hạn như năng lượng mặt trời, vi sóng, hồng ngoại hoặc năng lượng thông thường. Trong đó sấy bơm nhiệt kết hợp với vi sóng và sấy bơm nhiệt kết hợp với hồng ngoại là đáng chú ý.
Tĩnh lực học quá trình sấy Tĩnh học của quá trình sấy được xác định bởi mối quan hệ giữa các thông số đầu và cuối của vật liệu sấy cùng tác nhân sấy dựa trên phương pháp cân bằng vật chất và năng lượng, từ đó xác định được thành phần vật liệu, lượng tác nhân sấy và lượng nhiệt cần thiết [5]. Nếu dùng chất tải nhiệt là không khí thì gọi là sấy bằng không khí. Khi sấy bằng không khí nóng có hàm ẩm tiếp xúc với bề mặt vật liệu ẩm và cung cấp năng lượng để bốc hơi trong vật liệu ẩm và dòng khí, hỗn hợp không khí ẩm sẽ làm tăng hàm ẩm và đi ra ngoài.2 Sơ đồ nguyên lý chung của hệ thống sấy bằng không khí Sấy lý thuyết Trong quá trình sấy lý thuyết, có ∆ =0, hay nhiệt bổ sung bằng nhiệt tổn thất.1) 𝑑1 −𝑑2 Mặt khác, không khí được gia nhiệt từ t1 đến t2, nên enthalpy của không khí cũng tăng lên từ h1 đến h2, từ đó có thể tính qc theo phương trình cân bằng nhiệt lượng cho bộ phận đốt nóng: qc = g.2) Từ đó, rút ra được: h2 = h3. 6 Vậy, trong suốt quá trình sấy lý thuyết, enthalpy của không khí là một hằng số, hiểu theo cách khác, tức là một phần nhiệt lượng của không khí sau khi làm bốc hơi nước trong vật liệu, hơi nước mang nhiệt lượng sau đó nhập lại vào dòng khí.[7] Sự biến đổi trạng thái của không khí được mô tả như hình dưới, với: Điểm A (t1, φ1, h1, d1): biểu diễn không khí ở trạng thái ban đầu Điểm B (t2, φ2, h2, d2): biểu diễn không khí sau khi ra khỏi bộ đốt nóng Điểm C (t3, φ3, h3, d3): biểu diễn không khí sau khi sấy.
Với AB là giai đoạn đốt nóng dòng khí, BC là giai đoạn sấy lý thuyết, ta có đường ABC biểu diễn quá trình sấy lý thuyết. Có thể xác định các điểm A, B, C nhanh chóng khi biết được hai trong bốn thông số trạng thái không khí. Trong quá trình sấy thực tế, do lượng nhiệt bổ sung chung khác với lượng nhiệt tổn thất chung.3) g Trong thực tế có thể xảy ra theo một trong ba trường hợp tùy giá trị của ∆. Nhiệt lượng bổ sung lớn hơn nhiệt lượng tổn thất chung nên ∆ > 0.
Vì g luôn là số dương nên h3 > h2. Nhiệt lượng bổ sung nhỏ hơn nhiệt lượng tổn thất chung nên ∆ < 0, nên h3 < h2. Nhiệt lượng bổ sung bằng nhiệt lượng tổn thất chung nên ∆ = 0, đây là trường hợp sấy lý thuyết h3 = h2. Theo hình trên, quá trình sấy thực tế được mô tả: Đường (1)(2)(3): Quá trình sấy lý thuyết với h2 = h3.
Đường (1)(2) (3’): Quá trình sấy thực tế với h3 > h2. Đường (1)(2) (3’’): Quá trình sấy thực tế với h3 < h2. Sấy thực tế Quá trình sấy này được chia làm bốn trường hợp sau: 7 Trường hợp 1: Quá trình sấy (1) – (3), QK = 0 (không đốt nóng), gia nhiệt trực tiếp cho sản phẩm trong quá trình sấy. Trường hợp 2: (1) – (A) – (3): tA< t3: Calorife đốt nóng không khí, nhỏ hơn nhiệt độ của không khí sau khi sấy.
Vì vậy, phải cấp nhiệt bổ sung lớn. Trường hợp này thích hợp sấy cho các sản phẩm có nhiệt độ thấp. Trường hợp 3: (1) – (B) – (3): tB = t3: Không khí sau khi đốt nóng tại calorife có nhiệt độ bằng nhiệt độ không khí sau khi ra khỏi phòng sấy. Trường hợp này áp dụng cho các loại sản phẩm chịu nhiệt độ thấp.
Trường hợp 4: Quá trình sấy (1) – (C) – (3): t3< tC< t2: Không khí được đốt nóng tại calorife có nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ không khí đầu ra. Trường hợp này thích hợp cho sấy các loại sản phẩm chịu nhiệt độ từ nhiệt độ trung bình đến nhiệt độ cao mà chất lượng ít thay đổi. Động lực học quá trình sấy Động học của quá trình sấy là quá trình khảo sát sự thay đổi các thông số đặc trưng của vật liệu sấy trong quá trình sấy, những thông số này thường lấy giá trị trung bình, chúng thường là độ chứa ẩm u, nhiệt độ vật sấy tv, tốc độ sấy Ձu/Ձt, trong quá trình sấy các thông số này thay đổi theo thời gian. Các quy luật nghiên cứu được ở động học quá trình sấy cho phép tính toán lượng ẩm bay hơi, nhiệt lượng cần cung cấp cho quá trình sấy, từ đó xác định được thời gian sấy cũng như các chế độ sấy phù hợp nhất đối với các loại sản phẩm khác nhau [1].
Ở mỗi vị trí của vật liệu sấy, sự thay đổi độ ẩm và nhiệt độ phụ thuộc vào cường độ và quan hệ của các quá trình trao đổi nhiệt, trao đổi chất trong và trên bề mặt vật dưới tác dụng của môi trường xung quanh. Trong đó vai trò quyết định là quá trình truyền nhiệt, truyền chất giữa vật và môi trường. Trao đổi nhiệt và chất bên trong vật là quá trình rất phức tạp bị ảnh hưởng bởi dạng liên kết ẩm trong vật thể. Việc nghiên cứu động học quá sấy là vô cùng quan trọng, đối tượng được lựa chọn ở đây là tác nhân sấy là không khí nóng có các thông số không đổi: nhiệt độ, độ ẩm, tốc độ lưu động V.
Ở trong vật sấy, độ chứa ẩm được phân bố đều và nó có bề mặt bay hơi tương đối lớn [1]. 8 Đường cong sấy biểu diễn mối quan hệ giữa độ ẩm của vật liệu ẩm biến thiên theo thời gian sấy, như vậy độ ẩm vật liệu ẩm được biểu diễn dưới dạng hàm số như sau: W = f(𝜏) (1.4) Trong đó: W là độ ẩm của vật liệu ẩm 𝜏 (𝑠) là thời gian sấy Hình 1.3 Đường cong sấy W = f(𝜏) Giai đoạn 1 (A-B): Đun nóng vật liệu sấy làm bay hơi nước bề mặt, giai đoạn này đường cong ở dạng phi tuyến [8]. Từ phương trình đường cong sấy lấy đạo hàm 2 vế rồi nhân tử với G, nhân mẫu với F nhận được đường cong tốc độ sấy: − GdW u = f(W) = (1.dτ Với F (m2 ) là diện tích trao đổi nhiệt của vật liệu sấy.4 Đường cong tốc độ sấy u = f(W) Giai đoạn 1 (A → B): Do đường cong sấy là phi tuyến bậc 2 nên đường cong tốc độ sấy là đường tuyến tính bậc 1 [8]. Giai đoạn 2 (B→ C): Do đường cong sấy tuyến tính bậc nhất nên đường cong tốc độ sấy là hàm hằng.
Vì thế, giai đoạn này thường gọi là giai đoạn sấy với tốc độ không đổi [8]. + Đường (a): là đường khi sấy vật liệu ẩm dạng xốp. + Đường (b): là đường khi sấy vật liệu ẩm ở dạng keo. + Đường (c): là đường khi sấy vật liệu ẩm ở dạng keo – xốp.
Tình hình nghiên cứu trong nước về lĩnh vực sấy lạnh Theo nghiên cứu của Nguyễn Tấn Dũng (2011), quá trình sấy lạnh rất phức tạp, nó phụ thuộc vào các yếu tố công nghệ rất lớn như: nhiệt độ ngưng tụ ẩm, nhiệt độ của buồng sấy lạnh, vận tốc tác nhân sấy và thời gian của quá trình sấy lạnh.