Tài liệu Ứng dụng công nghệ sấy lạnh trong công nghiệp chế biến rau quả việt nam

  • Số trang: 110 |
  • Loại file: PDF |
  • Lượt xem: 335 |
  • Lượt tải: 2
hoanggiang80

Đã đăng 20010 tài liệu

Mô tả:

Ứng dụng công nghệ sấy lạnh trong công nghiệp chế biến rau quả việt nam
Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU VỀ CÔNG NGHỆ SẤY LẠNH 1. KHÁI NIỆM VỀ BƠM NHIỆT 1.1 LỊCH SỬ HÌNH THÀNH VÀ PHÁT TRIỂN CỦA BƠM NHIỆT Bơm nhiệt có quá trình phát triển lâu dài, bắt đầu từ khi Nicholas Carnot đề xuất những khái niệm chung đầu tiên. Một dòng nhiệt thông thường di chuyển từ một vùng nóng đến một vùng lạnh, Carnot đưa ra lập luận rằng một thiết bị có thể được sử dụng để đảo ngược quá trình tự nhiên và bơm nhiệt sẽ điều chỉnh dòng nhiệt từ một vùng lạnh đến một vùng ấm hơn. Đầu những năm 1850, Lord Kelvin đã phát triển các lý thuyết về bơm nhiệt bằng cách lập luận rằng các thiết bị làm lạnh có thể được sử dụng để gia nhiệt. Các nhà khoa học và các kỹ sư đã cố gắng chế tạo ra một bơm nhiệt nhưng không một mô hình nào thành công cho đến giữa những năm 30 khi những bơm nhiệt sử dụng theo mục đích cá nhân được lắp đặt. Việc lắp đặt các bơm nhiệt gia tăng đáng kể sau thế chiến II, người ta nhận thấy rằng bơm nhiệt có thể được thương mại hóa nếu hoàn tất lý thuyết và đảm bảo chất lượng sản phẩm. Sản phẩm bơm nhiệt đầu tiên được bán vào năm 1952. Từ khi xẩy ra cuộc khủng hoảng năng lượng vào đầu thập kỉ 70, bơm nhiệt lại bước vào một bước tiến nhảy vọt mới. Hàng loạt bơm nhiệt đủ mọi kích cở cho các ứng dụng khác nhau được nghiên cứu chế tạo, hoàn thiện và bán rộng rãi trên thị trường. Ngày nay, bơm nhiệt đã trở nên rất quen thuộc trong các lĩnh vực điều hòa không khí, sấy, hút ẩm, đun nước… 1 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp Sơ đồ nguyên lý bơm nhiệt: Hình 1.1 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống bơm nhiệt 1.2 HỆ THỐNG SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT 1.2.1 Giới thiệu về hệ thống sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt Sự thay đổi môi trường trong những năm gần đây, đặc biệt những năm cuối thế kỉ rất đáng lo ngại. Những bước tiến nhanh chóng của khoa học và kỹ thuật, cùng với sự thay đổi toàn diện về lối sống của xã hội hiện đại, đã gây nên sự tổn hại to lớn đối với các nguồn tài nguyên cũng như đối với sự cân bằng sinh thái. Hiện tại, những yêu cầu đặt ra đối với nền văn minh hiện đại là việc thõa mãn nhu cầu ngày càng cao đối với các nguồn năng lượng đang cạn kiệt trên trái đất. Sự phát triển của kỹ thuật và nghiên cứu khoa học tự nhiên có thể sẽ mang lại câu trả lời thõa đáng nhất. Trọng tâm hiện 2 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp nay là sự thay đổi dần dần theo hướng đòi hỏi đáp ứng cả vấn đề cân bằng sinh thái và môi trường sống. Sấy là một thiết bị hoạt động chủ yếu trong ngành thực phẩm - nông nghiệp, nó gây nên sự ô nhiễm rất lớn đối với môi trường. Việc khử từng phần hay toàn bộ nước từ vật liệu là rất phức tạp và yêu cầu một nguồn lượng năng lượng lớn. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình này như thời gian chu trình, chất lượng sản phẩm, độ cảm nhiệt, vv... Kỹ thuật sấy có thể đáp ứng được cả yêu cầu về kinh tế và bảo vệ môi trường sống phát triển rất chậm bởi nhiều yếu tố. Việc ứng dụng nghiên cứu sử dụng bơm nhiệt trong quá trình sấy được chú ý, từ đó tìm ra các ứng dụng khác nhau của kỹ thuật sấy lạnh sử dụng để thay thế những phương pháp sấy truyền thống từ đó đem đến những lợi ích trong tương lại. Trong một máy sấy đối lưu không khí nóng, không khí được gia nhiệt lên đến nhiệt độ sấy (bằng cách sử dụng bộ gia nhiệt điện hoặc bộ gia nhiệt sử dụng nhiên liệu) để làm tăng tốc độ truyền nhiệt trong quá trình sấy. Điều này làm tăng áp suất hơi nước bên ngoài và tốc độ khuếch tán ẩm trong trong vật liệu theo hướng thoát ra bề mặt vật liệu, từ đó lượng ẩm này sẽ khếch tán vào trong dòng tác nhân sấy. Trong môi trường đối lưu, độ ẩm tuyệt đối của tác nhân sấy phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Việc sử dụng bơm nhiệt để hút ẩm trong quá trình sấy hoàn toàn có thể điều khiển hoàn toàn cả thành phần ẩm và nhiệt độ tác nhân sấy, cũng như lấy lại được nhiệt ẩn bay hơi của nước từ dòng thải. Bơm nhiệt có thể thay đổi nhiệt độ từ thấp đến cao, theo yêu cầu làm việc của thiết bị, từ đó nó có thể cung cấp các chế độ làm việc khác nhau. Loại bơm nhiệt phổ biến nhất hoạt động hoạt động theo một chu trình nén - hơi bao gồm các thiết bị chính: dàn bay hơi, máy nén, dàn ngưng tụ và van giãn nở (hình 1.2) Qh = Q c + W 3 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp Tc < Th Hình 1.1: Nguyên lý truyền nhiệt của bơm nhiệt Dàn bay hơi Dàn ngưng tụ Van giãn nở Hình 1.2: Các thành phần cơ bản của một bơm nhiệt Máy nén Quá trình truyền nhiệt thực hiện được thông qua sự thay đổi pha làm việc của môi chất lạnh. Môi chất lạnh trong giàn bay hơi hấp thụ nhiệt và bay hơi ở nhiệt độ thấp và áp suất thấp. Khi hơi môi chất lạnh ngưng tụ ở nhiệt độ cao, áp suất cao tại dàn ngưng tụ, nó thải nhiệt ở áp suất cao hơn. Khi sử dụng trong quá trình sấy, hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt làm lạnh không khí của quá trình đến điểm bão hòa, và sau đó ngưng tụ nước (khử ẩm), do đó làm tăng khả năng sấy của không khí. Trong quá trình này chỉ tuần hoàn mức nhiệt thấp (nhiệt hiện và nhiệt ẩn) từ không khí. Cấu trúc của dàn bay hơi và dàn ngưng tụ được bố trí như hình vẽ (hình 1.3). 4 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp Hình 1.3: Hai phương thức trao đổi nhiệt thông qua buồng sấy. Mũi tên lớn chỉ dòng tác nhân qua buồng sấy Trong trường hợp thứ nhất (hình 1.3a), máy sấy lạnh hoạt động vừa như một máy khử ẩm và một bộ gia nhiệt không khí. Trong cách bố trí thứ hai, dàn bay hơi được xen vào dòng không khí ẩm trong khi không khí sạch lại được đưa vào toàn bộ dàn ngưng tụ. Việc sắp xếp theo kiểu này, nhiệt ẩn (cùng với một lượng lớn nhiệt hiện) được hồi lưu bằng cách khử ẩm của khí thải và truyền cho không khí của quá trình thông qua dàn ngưng tụ. Mô hình này thích hợp khi không khí môi trường khô (độ ẩm tương đối thấp), nhưng nó lại không kinh tế trong quá trình sấy, bởi vì dòng khí thải tương tự như không khí bên trong. Trong cả hai mô hình trên, khí thải từ buồng sấy có thể được hồi lưu lại đi đến dàn bay hơi nghĩa là không khí có thể tuần hoàn toàn bộ hay từng phần. 5 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp Bơm nhiệt bước đầu được nghiên cứu với tác dụng khử ẩm, nhưng sau cuộc khủng hoảng năng lượng những năm 70. Khả năng ứng dụng trong việc sấy nông sản phẩm ngày càng được chú ý đến nhiều hơn. Ứng dụng của bơm nhiệt trong nông nghiệp bắt đầu với việc sử dụng như thiết bị gia nhiệt. Những nghiên cứu và phát triển sau đó đã đạt được kết quả với việc phát triển quá trình sấy sử dụng bơm nhiệt. Bằng nhiều cách khác nhau, như là sử dụng một van điều chỉnh áp suất, trao đổi nhiệt, điều khiển lưu lượng dòng khí, thay đổi tốc độ máy nén,vv… được thực hiện tùy thuộc vào các yêu cầu thực tế, nguyên lý hoạt động máy sấy sử dụng bơm nhiệt. Trong thương mại việc sử dụng các máy sấy lạnh để sấy hỗ trợ đã được nhắc đến tại nhiều nước ở Châu Âu (NaUy, Pháp và Hà Lan), Châu Á và Autralia, ở đây công nghệ này được ứng dụng chủ yếu trong các quy trình chế biến thực phẩm. Việc sử dụng bơm nhiệt với quy mô rộng lớn vẫn chưa được cụ thể hóa trong nông nghiệp. Một trong những yếu tố cản trở việc sử dụng kỹ thuật này là chi phí đầu tư. Vì chi phí đầu vào cao và thời gian sử dụng ngắn, cho nên hiện nay các loại máy sấy khác vẫn chiếm ưu thế. Hơn nữa, các sản phẩm ra đời phải đảm bảo tính đổi lẫn và dễ sữa chữa, kỹ thuật sấy sử dụng bơm nhiệt có tiềm năng đáp ứng được các ứng dụng khác nhau trong môi trường sản xuất nông nghiệp. 1.2.1 PHÂN LOẠI HỆ THỐNG SẤY LẠNH Khác với phương pháp sấy nóng, trong phương pháp sấy lạnh, người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy bằng cách giảm phân áp suất trong tác nhân sấy nhờ giảm lượng chứa ẩm. Ở phương pháp sấy lạnh, nhiệt độ bề mặt ngoài của vật nhỏ hơn nhiệt độ bên trong vật, đồng thời do tiếp xúc với không khí có độ ẩm và phân áp suất hơi nước nhỏ nên bề mặt cũng có phân áp suất hơi nước nhỏ hơn phía bên trong vật. Nói khác đi, ở đây gradient nhiệt độ và gradient áp suất có cùng dấu nên gradient nhiệt độ không kìm hãm quá trình dịch chuyển ẩm như khi sấy nóng mà ngược lại, nó có tác dụng tăng cường quá trình dịch chuyển ẩm trong lòng vật ra ngoài để bay hơi làm khô vật. Khi đó ẩm trong vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ 6 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp bề mặt vào môi trường có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn nhiệt độ môi trường hoặc cũng có thể nhỏ hơn 0oC. Hình1.5: Sơ đổ hệ thống sấy lạnh 1.2.1.1 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 0oC a. Hệ thống sấy thăng hoa Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn biến thành trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa. Để tạo ra quá trình thăng hoa, vật liệu sấy phải được làm lạnh dưới điểm ba thể, nghĩa là nhiệt độ của vật liệu t < 0 0C và áp suất tác nhân sấy bao quanh vật p < 620 Pa. Từ đó, vật liệu sấy nhận được nhiệt lượng để ẩm từ trạng thái rắn thăng hoa thành thể khí và vào môi trường. Như vậy, trong các hệ thống sấy thăng hoa phải tạo được chân không trong vật liệu sấy và làm lạnh vật xuống dưới 0oC.  Ưu điểm: Phương pháp gần như bảo toàn được chất lượng sinh, hóa học của sản phẩm bao gồm: màu sắc, mùi vị, vitamin, hoạt tính,…  Nhược điểm: 7 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp - Chi phí đầu tư cao, phải dùng đồng thời bơm chân không và máy lạnh (để kết đông sản phẩm và 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,… b. Hệ thống sấy chân không Phương pháp sấy chân không là phương pháp tạo ra môi trường gần như chân không trong buồng sấy, nghĩa là nhiệt độ vật liệu t < 0 oC, áp suất tác nhân sấy bao quanh vật p > 610 Pa. Khi nhận được nhiệt lượng, các phần tử nước trong vật liệu sấy ở thể rắn sẽ chuyển sang thể lỏng, sau đó mới chuyển sang thể hơi và đi vào môi trường.  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 quí hiếm, không chịu được nhiệt độ cao. Vì vậy, các hệ thống sấy này là những hệ thống sấy chuyên dùng, không phổ biến. 1.2.1.2 Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 0oC 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 8 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp pháp làm lạnh hoặc bằng các máy khử ẩm hấp phụ, sau đó nó 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 chuyển ẩm trong lòng vật và từ bề mặt vật vào môi trường trong các hệ thống sấy lạnh loại này hoàn toàn giống như trong các hệ thống sấy nóng. Điều khác nhau ở đây là cách giảm p am bằng cách đốt nóng tác nhân sấy (d = const) để tăng áp suất bão hoà dẫn đến giảm độ ẩm tương đối φ. Trong khi đó, với các hệ thống sấy lạnh có nhiệt độ tác nhân sấy bằng nhiệt độ môi trường thì ta sẽ tìm cách giảm phân áp suất hơi nước của tác nhân sấy p am 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).  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 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 9 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp - Điện năng tiêu tốn lớn do cần chạy máy lạnh và đốt nóng dây điện trở để hoàn nguyên chất hấp thụ. - Lắp đặt phức tạp, khó điều chỉnh các thông số để phù hợp với công nghệ - Trong môi trường có bụi, cần dừng máy để vệ sinh chất hấp thụ, tuổi thọ thiết bị giảm. b. Phương pháp dùng bơm nhiệt nhiệt độ thấp Trong phương pháp này, người ta chỉ dùng một hệ thống bơm nhiệt để tạo ra môi trường sấy. Nhiệt độ môi trường sấy có thể điều chỉnh trong giới hạn khá rộng từ nhiệt độ xấp xỉ môi trường đến nhiệt độ âm, tùy thuộc yêu cầu của vật liệu sấy. Khác với các thiết bị nhiệt lạnh khác, khi sử dụng bơm nhiệt để sấy khô và hút ẩm thì cả dàn nóng và dàn lạnh đều được sử dụng hữu ích nên năng suất tiêu thụ ở đây có thể được tận dụng đến mức cao nhất mà nhiệt độ không khí lại có thể chỉ cần duy trì ở mức nhiệt độ môi trường hoặc thấp hơn.  Ưu điểm: - Khả năng giữ màu sắc, mùi vị và vitamin đều tốt - Tiết kiệm năng lương nhờ sử dụng cả năng lượng dàn nóng và dàn lạnh, hiệu quả sử dụng nhiệt cao - Bảo vệ môi trường, vận hành an toàn. - Có khả năng điều chỉnh nhiệt độ tác nhân sấy tùy thuộc vào yêu cầu và khả năng chịu nhiệt của từng loại sản phẩm nhờ thay đổi công suất nhiệt của dàn ngưng trong - Công suất khá lớn - Chi phí đầu tư hệ thống thấp hơn so với các phương pháp sấy lạnh khác 10 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp - Vận hành đơn giản.  Nhược điểm: - Thời gian sấy thường khá lâu do độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và tác nhân sấy không lớn. - Phải có giải pháp xả băng sau một thời gian làm việc. 1.3 CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG HỆ THỐNG SẤY LẠNH SỬ DỤNG BƠM NHIỆT TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC Việc sử dụng bơm nhiệt trong công nghiệp cũng như dân dụng để sấy, sưởi, hút ẩm, điều hòa không khí,… đã được nghiên cứu và ứng dụng rất nhiều trên thế giới. Sau đây là tổng quan một số công trình nghiên cứu: 1.3.1 Các tác giả trong nước Tác giả Phạm Văn Tùy và các công sự đã tiến hành nghiên cứu và đã ứng dụng thành công hệ thống bơm nhiệt để sấy lạnh kẹo Jelly, kẹo Chew, Caramel, kẹo Cứng… tại công ty bánh kẹo Hải Hà. Năm 1997, 1998 các tác giả đã thiết kế lần lượt hai hệ thống lạnh theo nguyên lý bơm nhiệt nhiệt độ thấp kiểu môđun. Để sấy kẹo Jelly với năng suất 1100 kg/ngày và 1400 kg/ngày hiện nay vẫn còn được sử dụng cho phòng sấy lạnh số 2 và số 3 Nhà máy thực phẩm Việt Trì- Công ty cổ phần bánh kẹo Hải Hà. Thông số nhiệt độ không khí buồng sấy 22-280C, độ ẩm 30-40%. Sơ đồ nguyên lý hệ thống như hình vẽ: Một hệ thống máy hút ẩm hỗ trợ cho dây chuyền sản xuất kẹo Caramem của Cộng Hòa Liên Bang Đức cải tạo từ máy điều hòa không khí cũ cho phân xưởng kẹo caramem và hệ thống bơm nhiệt hút ẩm công suất lạnh 120.000 Btu/h sử dụng 4 máy lạnh Trane TTK 530 công suất mỗi máy là 30.000 Btu/h hiện nay đang sử dụng cho phòng bao gói kẹo cứng thuộc Xí nghiệp Công ty CP Bánh kẹo Hải Hà đã được lắp đặt từ năm 1999. 11 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp Qua thực tế sử dụng, thấy rằng ngoài ưu điểm rẻ tiền (giảm khoảng 50% vốn đầu tư) và tiết kiệm năng lượng (điện năng tiêu thụ giảm gần 50%) so với phương án dùng máy hút ẩm, các hệ thống hút ẩm và sấy lạnh này hoạt động ổn định, liên tục và giảm chi phí bảo dưỡng. Tuy nhiên, nó còn có nhược điểm là cồng kềnh, sử dụng nhiều quạt và động cơ xen kẽ, trong hệ thống nhiều bụi bột nên phải bảo dưỡng động cơ lại phải thực hiện trong không gian hẹp, khó thao tác. Để khắc phục những nhược điểm trên năm 2005 nhóm tác giả đã thiết kế chế tạo máy sấy lạnh cho phòng sấy lạnh số 1 theo nguyên lý bơm nhiệt kiểu nguyên khối BKBSH18A. So với công nghệ dùng các bơm nhiệt kiểu mô đun thì BK-BSH18A có thiết bị xử lý không khí được chế tạo dạng tổ hợp gọn có thể đặt ngoài nhà, trong nhà hay trong buồng sấy và tốc độ không khí có thể thay đổi để phù hợp với yêu cầu của vật liệu sấy khác nhau. Việc sử dụng bơm nhiệt nhiệt độ thấp để hút ẩm và sấy lạnh có nhiều ưu điểm và rất có khả năng ứng dụng rộng rãi trong điều kiện khí hậu nóng ẩm phù hợp với thực tế tại Việt Nam, mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật đáng kể. Bơm nhiệt sấy lạnh đặc biệt phù hợp với những sản phẩm cần giữ trạng thái, màu, mùi, chất dinh dưỡng và không cho phép sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ gió lớn. Các hệ thống hút ẩm và đặc biệt là các hệ thống sấy lạnh có cấu trúc luôn thay đổi phụ thuộc vào đặc tính của vật liệu sấy, cấu trúc của dàn lạnh sử dụng, … nên không có một cấu trúc chung cho tất cả các đối tượng sấy, tuy nhiên vẫn có chung nguyên tắc và phương pháp tính toán thiết kế. Do đó, cần phải tiếp tục những nghiên cứu cơ bản, đầy đủ về các quá trình, các giới hạn kỹ thuật và các vấn đề tự động điều chỉnh không chế liên hoàn nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy cũng như của vật liệu sấy. 1.3.2 Các tác giả nước ngoài 12 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp Macio N. Kohayakawa và các công sự đã tiến hành nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố như: vận tốc gió Var, chiều dày của vật liệu L đến hệ số khuếch tán quá trình sấy D ef trong hệ thống sấy xoài bằng bơm nhiệt. Môi chất lạnh sử dụng trong hệ thống là R22. Hệ thống sấy xoài sử dụng hai dàn ngưng trong để gia nhiệt cho không khí. Nhiệt độ không khí trong quá trình thí nghiệm thay đổi từ 40oC đến 56oC. Vận tốc gió thay đổi từ 1,6 m/s đến 4,4 m/s, chiều dày vật liệu sấy thay đổi từ 5,8 mm đến 14,2 mm. Khối lượng vật liệu sấy ở mỗi mẽ là 300g, thời gian sấy là 8h/mẻ. Dựa vào các quan hệ lý thuyết tính toán hệ số khuếch tán, sử dụng phương pháp quy hoạch trực giao và kết hợp với số liệu thực nghiệm, các tác giả đã xây dựng được phương trình hồi qui xác định hệ số khuếch tán Def như sau: Def=4,2625 - 0,61922.Var + 0,380538.Var2 + 1,012517.L – 0,90343.Var.L (1.1) Phương trình (1.1) cho thấy rằng ảnh hưởng đồng thời của hai thông số cũng như mức độ ảnh hưởng của chúng đến hệ số khuếch tán D ef. Ở đây, ảnh hưởng của tốc độ gió Var là lớn nhất, sau đó đến chiều dày của vật liệu sấy. Phương trình (1.1) cũng cho biết ảnh hưởng lẫn nhau giữa hai thông số thông qua mối liên hệ chéo nhau giữa chúng. Tuy nhiên, phương trình này không đề cập đến ảnh hưởng của nhiệt độ, độ ẩm sấy mặc dù ảnh hưởng của chúng là lớn đến hệ số khuếch tán. Điều này cũng được chính tác giả khẳng định trong nghiên cứu của mình. Do vậy, cần có những nghiên cứu đánh giá về ảnh hưởng của các yếu tố này. Phani K.Adapa, Greg J.Schoenau và Shahab Sokhansanj đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm quá trình sấy bằng bơm nhiệt đối với các vật liệu đặc biệt. Các tác giả đã tiến hành thiết lập các quan hệ tính toán lý thuyết quá trình sấy lớp mỏng. Các tác giả đã thiết lập phương trình cân bằng năng lượng, cân bằng chất, truyền nhiệt và truyền ẩm giữa vật liệu và không khí cho một phân tố thể tích vật liệu sấy như sau: Phương trình truyền ẩm: 13 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh ∂M = −k ( M − M e ) ∂t Luận văn tốt nghiệp (1.2) Trong đó: - M : độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy tại thời điểm t - Me : độ ẩm cân bằng của vật liệu sấy, được xác định bằng thực nghiệm - t : thời gian sấy, s - k : hằng số sấy [1/s], được xác định như sau: k = 0, 2865.exp ( 0,179.Ta ) (1.3) Giải phương trình (1.2) ta xác định được độ ẩm của vật liệu khi sấy tại thời điểm t như sau: M = M e + ( M 0 − M e ) .e kt0 .e − kt (1.4) Với M0 : độ ẩm của vậ liệu sấy tại thời điểm t0 = 0 Phương trình cân bằng chất: G ∂M ∂W =− p. ∂x Ga ∂y (1.5) Với: W - độ chứa hơi của không khí x – chiều dày của vật liệu sấy Gp – lưu lượng vật liệu sấy chuyển động qua băng tải, kg/m.s Ga – lưu lượng không khí chuyển động qua băng tải, kg/m2.s y – quãng đường dịch chuyển của vật liệu sấy, m 14 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp Giải phương trình (1.5), thu được công thức xác định sự thay đổi của độ chứa hơi W theo chiều dày vật liệu sấy (giả thiết tính chất của vật liệu sấy là đồng đều theo phương dịch chuyển y): W = W0 − GP ∂M . .x Ga ∂y (1.6) Phương trình cân bằng năng lượng: ( hcv + Ga .G pw .( ∂W / ∂x ) ) . ( Ta − Tg ) ∂Ta =− ∂x Ga . ( C pa + C pw .W ) (1.7) Trong đó: - Ta : nhiệt độ của không khí sấy, 0C - Tg : nhiệt độ của vật liệu sấy, 0C - hcv : hệ số truyền nhiệt thể tích, kJ/m3.ph.K - Cpa : nhiệt dung riêng của không khí khô, kJ/kgK - Cpw : nhiệt dung riêng của hơi nước, kJ/kgK Giải phương trình (1.7), xác định được nhiệt độ không khí tại đầu ra: Ta = Tg + a ( d / a ). x . ( Ta 0 − Tg ) Với: a = Ga . ( C pa + C pw .W )  ∂W  ÷  ∂x  d = hcv + Ga .C pw .  15 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp a0 0 0 T – Nhiệt độ không khí tại vị trí ban đầu x = 0, C Phương trình truyền nhiệt: ( ( ) ))   ∂W   hcv . Ta − Tg − Ga Lg + C pw − C pl .Tg .   ÷÷ ∂Tg  ∂x  ÷ (1.9) = ÷ ∂y  −G p . C pg + M .C pl  ÷   ( ) ( ( ) Trong đó: g L : nhiệt ẩn hóa hơi của nước trong vật liệu sấy, kJ/kg pg C : Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy, kJ/kgK pl C : nhiệt dung riêng của nước, kJ/kgK Giải phương trình (1.9) ta sẽ tìm được sự thay đổi nhiệt độ của vật liệu sấy: Tg =  y− y / h  ( 1 0) ÷  −  f + gTg 0 .e g ( )  f ÷÷ (1.10)  ở đây: f = hcv .Ta 0 − Ga .Lg . ( ( )  ∂W ∂W  ; g =  −hcv + C pw − C pl .Ga . ∂x ∂x ÷  h = −G p . C pg + M .C pl ) 16 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp 1.4 ĐẶC ĐIỂM QUÁ TRÌNH TRUYỀN NHIỆT VÀ TRUYỀN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH SẤY LẠNH Trong kỹ thuật sấy lạnh, thế sấy của không khí tăng nhờ quá trình tách ẩm ở dàn bốc hơi và quá trình gia nhiệt bằng chính dàn ngưng tụ trong các máy lạnh. Yếu tố có tính quyết định ở đây là quá trình làm lạnh không khí trong dàn lạnh, từ đây sẽ nhận được không khí có nhiệt độ và độ chứa hơi (d) nhỏ đảm bảo cho quá trình truyền nhiệt, truyền chất giữa vật sấy và tác nhân sấy trong buồng sấy xẩy ra ở điều kiện gradient nhiệt độ và gradient áp suất cùng chiều, không có giai đoạn nào xẩy ra hiệu ứng Luikov A.V. cản trở quá trình sấy như trong phương pháp sấy nóng. Vì vậy, ngoài việc tính toán, thiết kế hệ thống nói chung thì điều tối cần thiết là chế độ làm việc của dàn lạnh hay nói cách khác là khả năng tối ưu nhất của dàn lạnh có tầm quan trọng đặc biệt. Trong kỹ thuật sấy lạnh, để tăng cường tách ẩm cho hệ thống, không khí sấy trải qua giai đoạn tách ẩm ở dàn lạnh, vì thể ẩm trong không khí có thể tồn tại ở ba dạng hơi, lỏng và rắn, với dung ẩm ở dạng hơi d h, dạng lỏng dl và dạng rắn dr, entanpi H của không khí ẩm: H= tb + (2500+1,93tb)dh + 4,18d1tb + (-335+2,1 tb)dr , kJ/kgkk (1.11) Trong quá trình khử ẩm ở dàn lạnh, chiều dài đường đi của dòng không khí là yếu tố có tính quyết định, theo đó mà lưu lượng thể tích không khí cũng như công suất nhiệt d 2 m d ( Ph / T ) = , kg / m3 K - trao đổi sẽ thay đổi, không khí được làm lạnh đến nhiệt dVdt Rdt 17 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp độ điểm sương ts. Trên một đơn vị dài quan hệ truyền nhiệt, truyền chất này có thể biểu diễn dưới dạng:  ' d 2Q d 2 m  dV dT = −c − r . ,W / m ÷. dτ dx dV .dt  dt dX  (1.12) Trong đó • c’ – nhiệt dung riêng thể tích của không khí ẩm ở nhiệt độ khí quyển (c =1,23 kJ/m3K). • r – Nhiệt ngưng tụ (r=2500 kJ/kg đối với hơi nước ở 00C). d 2 m d ( Ph / T ) 3 = , kg / m3 K - là nước ngưng theo đường ϕ = 100% (ứng với 1m dVdt R.dt • không khí ẩm khi nhiệt độ giảm đi 1K) và thay đổi nhanh qua nhiệt độ theo biểu thức: d 2 m d ( Ph / T ) = , kg / m3 K dVdt R.dt (1.13) Trong đó: - Ph: áp suất hơi bão hòa của hơi nước tương ứng với nhiệt độ của không khí ẩm. - Hằng số R đối với hơi nước trong không khí ẩm: R=8314/18=861,89 J/kgK Mặt khác có thể tính nhiệt lượng do không khí truyền cho môi chất lạnh tương ứng với mỗi đơn vị dài của thiết bị bay hơi bơm nhiệt: d 2Q = k ( T − T0 ) ,W / m dτ .dx (1.14) Với K1 là hệ số truyền nhiệt của thiết bị bay hơi [W/mK]. 18 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp Từ các cơ sở trên ta có quan hệ: X0 c' T − T = − ' ln s 0 X K T1 − T0 K .X ' K = [ J / m3 K ] (1.15) với dV / dτ Là thông số đặc trưng cho công suất của thiết bị bốc hơi của bơm nhiệt (thường khoảng 1kJ/m3K), X[m] là chiều sâu của thiết bị bốc hơi, X 0 [m] là khoảng cách từ đầu thiết bị vào thiết bị bốc hơi đến điểm xuất hiện quá trình ngưng đọng ẩm, T s là nhiệt độ đọng sương, các chỉ số 1 và 2 là kí hiệu đầu vào và ra của không khí qua thiết bị bốc hơi. 1.5 SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP SẤY RAU QUẢ VỚI PHƯƠNG PHÁP SẤY LẠNH Sấy là quá trình tách nước và hơi nước ra khỏi vật. Tuy nhiên, sấy là một quá trình công nghệ đòi hỏi sau khi sấy, vật liệu phải đảm bảo chất lượng cao, tiêu tốn năng lượng ít và chi phí vận hành thấp. Có hai phương pháp sấy: 1.5.1 Phương pháp sấy nóng Trong phương pháp sấy nóng, tác nhân sấy và vật liệu sấy được đốt nóng. Do tác nhân sấy được đốt nóng nên độ ẩm tương đối φ giảm dẫn đến phân áp suất hơi nước p am trong tác nhân sấy giảm. Mặt khác do nhiệt độ của vật liệu sấy tăng lên nên mật độ hơi trong các mao quản tăng và phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật cũng tăng theo công thức: φ=  2δρ h  pr = exp −  po  po ρ r  (1.16) Trong đó:  Pr - áp suất trên bề mặt cột mao dẫn, N/m2  Po - áp suất trên bề mặt thoáng, N/m2 19 Khoa Công nghệ Nhiệt Lạnh Luận văn tốt nghiệp  Δ - Sức căng bề mặt thoáng,N/m2  ρh - mật độ hơi trên cột dịch thể trong ống mao dẫn, kg/m3  ρo - mật độ dịch thể, kg/m3 Như vậy trong hệ thống sấy nóng có hai cách để tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường:  Giảm phân áp suất của hơi nước trong tác nhân sấy bằng cách đốt nóng.  Tăng phân áp suất hơi nước trong vật liệu sấy. Tóm lại, nhờ đốt nóng cả tác nhân sấy và vật liệu sấy hoặc chỉ đốt nóng vật liệu sấy mà hiệu số giữa phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật P hb và phân áp suất hơi nước trong tác nhân sấy Ph tăng lên dẫn đến quá trình dịch chuyển ẩm từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và đi vào môi trường. Do đó, hệ thống sấy nóng thường được phân loại theo phương pháp cung cấp nhiệt:  Hệ thống sấy đối lưu: Vật liệu sấy nhận nhiệt bằng đối lưu từ một dịch thể nóng mà thông thường là không khí nóng hoặc khói lò. Hệ thống sấy đối lưu gồm: hệ thống sấy buồng, hệ thống sấy hầm, hệ thống sấy khí động….  Hệ thống sấy tiếp xúc: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một bề mặt nóng. Như vậy trong hệ thống sấy tiếp xúc, người ta tạo ra độ chênh lệch áp suất nhờ tăng phân áp suất hơi nước trên bề mặt vật liệu sấy. Hệ thống sấy tiếp xúc gồm: hệ thống sấy lô, hệ thống sấy tang…  Hệ thống sấy bức xạ: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ một nguồn bức xạ để dẫn ẩm dịch chuyển từ lòng vật liệu sấy ra bề mặt và từ bề mặt vào môi trường. Ở đây người ta tạo ra độ chênh phân áp suất hơi nước giữa vật liệu sấy và môi trường bằng cách đốt nóng vật. 20
- Xem thêm -