CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1. Cơ sở khoa học của quá trình sấy lạnh 1. Giới thiệu về phương pháp sấy lạnh 1. Khái niệm về bơm nhiệt 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.
Làm khô là một quá trình quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp thực phẩm và ở nhiều nước nông nghiệp; một lượng lớn sản phẩm thực phẩm được sấy khô để cải thiện thời hạn sử dụng, giảm chi phí đóng gói, giảm trọng lượng vận chuyển, cải thiện hình thức bên ngoài, gói gọn hương vị ban đầu và duy trì giá trị dinh dưỡng [5]. Mục tiêu chính của việc sấy khô là loại bỏ độ ẩm khỏi thực phẩm để vi khuẩn, nấm men và nấm mốc không thể phát triển và làm hỏng thực phẩm [6]. Hai chu trình được thực hiện trong hệ thống sấy bơm nhiệt: (1) tuần hoàn môi chất lạnh trong hệ thống bơm nhiệt và (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 [7]. Lịch sử hình thành và phát triển của bơm nhiệt Các phương pháp sấy vật liệu sinh học truyền thống đã được sử dụng rộng rãi trên khắp thế giới. Như đã nêu trước đây, các phương pháp phổ biến nhất sử dụng ánh sáng mặt trời trực tiếp hoặc gián tiếp và đốt củi. Mặc dù các phương pháp này rẻ nhưng có những vấn đề liên quan đến chúng, chẳng hạn như sản phẩm sấy khô kém chất lượng, không kiểm soát được quá trình sấy khô, sản phẩm có thể bị nhiễm bẩn, có thể bị động vật gặm nhấm và các động vật khác xâm nhập, côn trùng hoặc nấm mốc xâm nhập và để sản phẩm tiếp xúc với mưa và gió, khiến sản phẩm bị ướt và khô lại nhiều lần.
Sấy bơm nhiệt đã được chứng minh là tiết kiệm hơn so với các phương pháp sấy khô truyền thống này [8]. Nguyễn Tấn Dũng Trang 4 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: Dương Lê Ngọc Anh Máy sấy bơm nhiệt là thiết bị truyền nhiệt theo hướng ngược lại với dòng nhiệt tự phát ra bằng cách hấp thụ nhiệt từ khu vực có nhiệt độ thấp và giải phóng nó sang khu vực có nhiệt độ cao hơn. Chúng thường hoạt động thông qua chu trình nén hơi hoặc chu trình nén hấp thụ. Mặc dù các chu kỳ nén hơi có từ năm 1834, nhưng lần đầu tiên được thương mại hóa vào năm 1850; máy bơm nhiệt ban đầu không phổ biến lắm vì chi phí lắp đặt cao.
Máy sấy bơm nhiệt lần đầu tiên được sản xuất thương mại ở Mỹ vào những năm 1930, nhưng chỉ trở nên phổ biến vào những năm 1970 do chi phí vận hành giảm. Gần đây, các ứng dụng công nghiệp thay thế máy bơm nhiệt đã đạt được tiến bộ, đặc biệt là trong việc hút ẩm và làm khô các sản phẩm nông nghiệp [9]. Các nghiên cứu của Hodgett và Geeraert đã báo cáo về máy sấy bơm nhiệt đầu tiên vào năm 1973 [10]. Các phương pháp bơm nhiệt Máy sấy bơm nhiệt kết hợp ống nhiệt trọng trường A-Máy nén, B-Van 3 ngã, C-Dàn nóng phụ, D-Bình chứa cao áp, E-Van tiết lưu, F- Dàn lạnh, G-Ống nhiệt, H-Dàn nóng chính, K-Buồng sấy, L-Cánh đảo gió, M-Quạt, N-Khay hứng nước Hình 1.Sơ đồ nguyên lý máy sấy bơm nhiệt hồi lưu toàn phần kết hợp ống nhiệt trọng trường [11] Quá trình truyền nhiệt được thực hiện như sau: Nhiệt từ môi trường bên ngoài truyền qua phần ngưng của ống nhiệt, tại đây môi chất lỏng sẽ hấp thụ nhiệt và hoá lỏng.
Sau GVHD: PGS. Nguyễn Tấn Dũng Trang 5 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: Dương Lê Ngọc Anh đó môi chất lỏng đi về phần ngưng nhả nhiệt ra môi trường bên ngoài và ngưng tụ thành chất lỏng, và quay lại phần ngưng dưới tác động của trọng lực. Ưu điểm: tiết kiệm được chi phí điện năng, đảm bảo các thành phần vi lượng trong sản phẩm sấy. Máy sấy bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời Thiết bị ngưng tụ Hình 1.Sơ đồ máy sấy bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời [14] Ưu điểm: Máy sấy bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc giảm tiêu thụ năng lượng và thời gian sấy.
Xu và cộng sự vào năm 2021 đã đề xuất một máy sấy bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời với năm chế độ sấy nấm [15]. Thiết kế đơn giản của hệ thống máy sấy bơm nhiệt này cho phép nó chuyển đổi từ chế độ sấy này sang chế độ sấy khác bất cứ lúc nào, tùy thuộc vào điều kiện môi trường. Theo kết quả, tất cả năm chế độ sấy đều hoạt động tốt. Hơn nữa, tỷ lệ tiết kiệm GVHD: PGS.
Nguyễn Tấn Dũng Trang 6 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: Dương Lê Ngọc Anh năng lượng có thể đạt 37,96%. Hu và cộng sự năm 2020 đã phát triển một máy sấy bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời để làm khô quả dâu tây. Mức tiêu thụ điện năng được phát hiện là thấp hơn so với máy sấy bơm nhiệt đơn thuần và trong quy trình sấy khô vào mùa hè, mức tiêu thụ điện năng đã giảm 9,1 kWh so với sấy khô mùa thu [13]. Máy sấy bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời – hồng ngoại Để làm khô vụn chuối, Singh và cộng sự năm 2020 đã chế tạo và thử nghiệm máy sấy bơm nhiệt kết hợp tia hồng ngoại năng lượng mặt trời bao gồm hệ thống sưởi hồng ngoại, hệ thống sấy, hệ thống bơm nhiệt, hệ thống sưởi năng lượng mặt trời và chu kỳ sấy tuần hoàn [16].
Ha và cộng sự năm 2021 đã nghiên cứu việc sử dụng máy sấy bơm nhiệt kết hợp tia hồng ngoại để làm khô lát chanh. Kết quả cho thấy rằng với công suất sấy tăng, mức tiêu thụ năng lượng đã giảm đáng kể [17]. Công trình được thực hiện bởi Aktaş và cộng sự năm 2017 đã chứng minh rằng làm khô thực phẩm bằng bơm nhiệt và hồng ngoại là một phương pháp thành công và hiệu quả [18].Sơ đồ máy sấy bơm nhiệt kết hợp năng lượng mặt trời – hồng ngoại [16] Ưu điểm: Thời gian sấy ngắn hơn và cải thiện tính đồng nhất nhiệt độ của vật liệu sấy (VLS), góp phần nâng cao chất lượng sản phẩm sấy. Đó là do tia hồng ngoại có khả GVHD: PGS.
Nguyễn Tấn Dũng Trang 7 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: Dương Lê Ngọc Anh năng xuyên qua tâm VLS, sau đó hấp thụ giữa tia hồng ngoại với nước và các chất dinh dưỡng sinh nhiệt, làm tăng nhiệt độ của tâm VLS, kết hợp với không khí khô được thiết bị bay hơi bơm nhiệt thổi qua bề mặt VLS, làm giảm nhanh nhiệt độ bề mặt VLS. Sự chênh lệch nhiệt độ lớn giữa tâm VLS và bề mặt bên ngoài sẽ dẫn đến dòng ẩm chuyển động đối lưu trong mao quản của VLS do chênh lệch áp suất theo định luật Darcy và dòng ẩm khuếch tán do chênh lệch nhiệt độ theo định luật Fick. Lúc này dòng nước sẽ di chuyển từ tâm VLS ra bề mặt theo cùng một hướng làm tăng tốc độ và giảm thời gian sấy. Máy sấy bơm nhiệt trợ lực Coulomb Hình 1.Sơ đồ máy sấy bơm nhiệt trợ lực Coulomb [19] Các thành phần chính của hệ thống này là lưới thép điện áp cao và máy sấy bơm nhiệt.
Lực Coulomb được tạo ra khi sản phẩm được giữ gần lưới điện áp cao và tần số thấp. Lực làm tăng sự khuếch tán độ ẩm trong sản phẩm, sau đó sản phẩm được làm khô bằng luồng không khí của máy sấy bơm nhiệt. Để làm khô chanh, Lee và cộng sự năm 2021 đã phát triển máy sấy bơm nhiệt hỗ trợ lực coulomb. Khi so sánh với việc sấy các GVHD: PGS.
Nguyễn Tấn Dũng Trang 8 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: Dương Lê Ngọc Anh lát chanh chỉ bằng máy sấy bơm nhiệt, khả năng khuếch tán độ ẩm hiệu quả và tốc độ sấy tăng 26% [19]. Lee và cộng sự năm 2015 đã sấy khô chanh trong lò sấy và máy sấy bơm nhiệt trợ lực coulomb để đánh giá hiệu suất của chúng cho thấy nhiệt độ sấy càng cao, tốc độ càng lớn. Máy sấy bơm nhiệt không khí Hình 1.Sơ đồ hệ thống sấy bơm nhiệt không khí [19] So với nhiều phương pháp sấy khô, máy sấy bơm nhiệt không khí được ưa chuộng hơn vì hệ thống này tiết kiệm năng lượng và chi phí hơn [20]. Dựa trên sự tuần hoàn của khí thải máy sấy trong hệ thống, hệ thống hoạt động theo hai chế độ: hệ thống mở và đóng.
Theo kết quả nghiên cứu, trong các hệ thống mở và đóng, tổng mức tiêu thụ năng lượng đối với khoai tây chiên là 3,3 và 2,41 kWh. Hệ thống kín có tốc độ hút ẩm cụ thể lớn hơn, trong khi hệ thống mở có hệ số hiệu suất tốt hơn. 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 GVHD: PGS.
Nguyễn Tấn Dũng Trang 9 KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP SVTH: Dương Lê Ngọc Anh 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 (như trong Hình 1.6) 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.
