Nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị làm khô thực phẩm bằng phương pháp sấy thăng hoa

ể bảo vệ một học vị nào. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã đ−ợc cám ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn này đều đã đ−ợc chỉ rõ nguồn gốc. Tác giả Đỗ Minh Chiến Lời cảm ơn Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp Cao học khoá 12 chuyên ngành Cơ khí hóa và thiết bị nông-lâm nghiệp Tr−ờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội, tôi đã nhận đ−ợc sự giúp đỡ, giảng dạy nhiệt tình của các thầy giáo, cô giáo trong tr−ờng. Nhân dịp này tôi xin đ−ợc bày tỏ lời cảm ơn chân thành tới các thầy giáo, cô giáo trong tr−ờng. Tôi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới gia đình và Tiến sĩ Trần Nh− Khuyên, ng−ời đã tận tình h−ớng dẫn, giúp đỡ tôi hoàn thành đề tài nghiên cứu này. Tôi xin chân thành cảm ơn Bộ môn Máy Nông nghiệp Khoa Cơ Điện Tr−ờng Đại học Nông nghiệp I Hà Nội đã gúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài. Tôi xin chân thành cảm ơn các đồng nghiệp đang công tác tại Tr−ờng Trung học Công nghiệp và Xây dựng đã động viên giúp đỡ tôi trong quá trình nghiên cứu thực hiện đề tài. Trong quá trình thực hiện đề tài bản thân đã có nhiều cố gắng, song không thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong tiếp tục nhận đ−ợc sự đóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp đối với đề tài nghiên cứu của tôi để đề tài đ−ợc hoàn thiện hơn. Tác giả Đỗ Minh Chiến Mục lục Lời cam đoan…………………………………………………………….. .…..i Lời cảm ơn……………………………………………………………….. ......ii Mục lục…………………………………………………………………... ….iii Danh mục các bảng……………………………………………………..... ….vi Danh mục các hình………………………………………………………. ...vii Mở đầu…………………………………………………………………… .….1 1. Tổng quan nghiên cứu………………………………………………. …..1 1.1. Tầm quan trọng của việc làm khô nông sản-thực phẩm…………….. ….3 1.1.1. ý nghĩa của việc làm khô các loại nông sản-thực phẩm………….. ….3 1.1.2. Một số thực phẩm t−ơi sống cần đ−ợc làm khô…………………… ..…5 1.2. Tầm quan trọng của sấy thăng hoa………………………………….. …12 1.3. Tình hình ứng dụng sấy thăng hoa trong và ngoài n−ớc……………...... ...14 1.3.1. Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa gián đoạn………………………… ...15 1.3.2. Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa liên tục…………………………... ...15 1.4. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu………………………………….. ...19 1.4.1. Mục đích nghiên cứu……………………………………………… ...19 1.4.2. Nhiệm vụ nghiên cứu……………………………………………… ...19 2. Đối t−ợng và ph−ơng pháp nghiên cứu……………………………... ...20 2.1. Đối t−ợng nghiên cứu……………………………………………….. ...20 2.1.1. Thiết kế sơ đồ nguyên lý hệ thống thiết bị sấy thăng hoa…………. ...20 2.1.2. Nguyên lý hoạt động…………………………………………….... ...22 2.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu…………………………………………..... ...22 2.2.1. Ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố………………… ...22 2.3. Ph−ơng pháp thực nghiệm đo đạc xử lý và gia công số liệu……….... ...24 2.3.1. Ph−ơng pháp xác định chi phí điện năng riêng……………………. ...24 2.3.2. Ph−ơng pháp xác định thời gian sấy………………………………. ...24 2.3.3. Ph−ơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm……………………........... ...24 2.3.4. Ph−ơng pháp gia công số liệu thực nghiệm……………………...... ...25 3. Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình sấy thăng hoa………………… ...27 3.1. Bản chất của quá trình sấy thăng hoa……………………………….. ...27 3.1.1. Các khái niệm cơ bản……………………………………………… ...27 3.1.2. Các giai đoạn của quá trình sấy thăng hoa………………………… ...28 3.2. Cơ sở lý thuyết tính toán của quá trình lạnh đông…………………... ...30 3.2.1. Các ph−ơng pháp lạnh đông thực phẩm…………………………… ...30 3.2.2. Diễn biến quá trình lạnh đông…………………………………….. ...31 3.2.3. Sự hình thành tinh thể đá trong quá trình lạnh đông thực phẩm…... ...33 3.2.4. Tính toán thời gian lạnh đông……………………………………... ...34 3.2.5. ảnh h−ởng của lạnh đông đối với thực phẩm……………………... ...36 3.3. Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình thăng hoa………………………. ...38 3.3.1. Truyền nhiệt trong quá trình thăng hoa…………………………… ...38 3.3.2. Truyền chất trong quá trình thăng hoa………………………….... ...39 3.3.3. Tính toán kết hợp truyền nhiệt và truyền chất…………………….. ...41 3.4. Cơ sở lý thuyết tính toán quá trình sấy ẩm d−………………………. ...48 4. Tính toán thiết kế các bộ phận chính trong hệ thống thiết bị sấy thăng hoa……………………………………………………………. ...49 4.1. Tính chọn các thông số ban đầu…………………………………...... ...49 4.1.1. Các thông số vật lý của vật liệu sấy ………………………………. ...49 4.1.2. Các thông số thiết kế…………………………………………….... ...49 4.2. Tính toán các bộ phận chính trong hệ thống thiết bị……………….. ...52 4.2.1. Bình thăng hoa…………….............................................................. ...52 4.2.2. Bình ng−ng ………………………………………………………. ...54 4.2.3. Tính toán máy lạnh……………………………………………….. ...58 5. Kết quả nghiên cứu trên mô hình thiết bị sấy thí nghiệm…………. ...72 5.1. Vật liệu và dụng cụ thí nghiệm………….…………………………... ...72 5.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm………………………………….... ...72 5.2.1. Mối quan hệ của nhiệt độ và độ ẩm vật liệu đến thời gian sấy……. ...72 5.2.2. ảnh h−ởng của nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy Tl ……………….. ...74 5.2.3. ảnh h−ởng của áp suất chân không trong bình thăng hoa P………. ...75 5.2.4. ảnh h−ởng của chiều dày vật liệu sấy S………………………….. ...76 5.2.5. ảnh h−ởng của nhiệt độ nguồn bức xạ Tb…………………………. …77 Kết luận và đề nghị………………………………………………………. ...79 Tài liệu tham khảo……………………………………………………….. ...81 Phụ lục…………………………………………………………………… ...83 Danh mục các bảng Bảng 1-1. Thành phần dinh d−ỡng của thịt một số vật nuôi……………... ..…6 Bảng 1-2. Thành phần hóa học và giá trị dinh d−ỡng của các loại cá…… …..8 Bảng 1-3. Giá trị xuất khẩu các mặt hằng khô…………………………… …..9 Bảng 1-4. Kế hoạch mở rộng sản xuất nông sản đến năm 2010…………. …12 Bảng 3-1. Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của n−ớc đá…….. …28 Bảng 3-2. L−ợng n−ớc và điểm kết đông của một số thực phẩm………... …32 Bảng 4-1. Các thông số trạng thái tại các điểm nút của chu trình……….. …60 Bảng 5-1. Kết quả thí nghiệm xác định ảnh h−ởng của nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy………………………….…………………... …74 Bảng 5-2. Kết quả thí nghiệm xác định ảnh h−ởng của áp suất chân không trong bình thăng hoa………………….……………….. …75 Bảng 5-3. Kết quả thí nghiệm xác định ảnh h−ởng của chiều dày vật liệu sấy……...................................................................................... …76 Bảng 5-4. Kết quả thí nghiệm xác định ảnh h−ởng của nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ…………………………………………………... …77 Danh mục các hình Hình 1-1. Xu h−ớng xuất khẩu rau quả của Việt Nam …………………. ..…6 Hình 1-2. Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy thăng hoa gián đoạn…………….. …15 Hình 1-3. Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu khay……. …16 Hình 1-4. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu dao động…………………………………....................................... …17 Hình 1-5. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu băng tải……………………………………………………………... …17 Hình 1-6. Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa liên tục………………………. …18 Hình 1-7. Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa với bình ng−ng đặt ngoài……. …19 Hình 2-1. Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy thăng hoa ST-10……………………. …20 Hình 3-1. Đồ thị pha p - t n−ớc…………………………………………... …27 Hình 3-2. Quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ trong quá trình lạnh đông... …32 Hình 3-3. Lạnh đông (Theo Leniger và Beverloo, 1975)………………… …34 Hình 3-4. ảnh h−ởng của lạnh đông tới mô tế bào thực vật……………... …38 Hình 3-5. Sự di chuyển nhiệt và hơi ẩm trong quá trình thăng hoa……… …39 Hình 4-1. Mô hình thiết bị sấy thăng hoa thí nghiệm ST-10…………….. …71 Hình 4-2. Măng thái lát tr−ớc khi sấy …………………………………… …71 Hình 4-3. Sản phẩm sau khi sấy …………………………………………. …71 Hình 5-1. Đồ thị làm việc của bình thăng hoa khi sấy măng tre Bát độ…. …73 Hình 5-2. Đồ thị ảnh h−ởng của nhiệt độ lạnh đông …………………….. …74 Hình 5-3. Đồ thị ảnh h−ởng của áp suất ………………………………… …75 Hình 0-4. Đồ thị ảnh h−ởng của chiều dày ……………………………… …76 Hình 5-5. Đồ thị ảnh h−ởng của nhiệt độ nguồn bức xạ…………………. …77 Mở đầu Trong lĩnh vực chế biến thực phẩm, do nguồn thực phẩm t−ơi sống khá dồi dào, trong đó có nhiều loại thực phẩm dễ h− hỏng có số l−ợng lớn cần đ−ợc làm khô nh− măng, nấm, hành, súp lơ, vải, nhãn, xoài, thịt bò, tôm, cá v.v… Các loại sản phẩm này nếu đ−ợc làm khô theo ph−ơng pháp sấy truyền thống (sấy nhiệt) có thể làm thay đổi một số tính chất của sản phẩm nh− biến tính protêin, cấu trúc, màu sắc, mùi vị d−ới tác dụng của nhiệt độ cao. Từ những biến đổi không mong muốn đó làm giảm giá trị th−ơng phẩm của mặt hàng khi tiêu thụ, do đó ph−ơng pháp nâng cao nhiệt độ không mang lại hiệu quả trong quá trình sản xuất. Ph−ơng pháp sấy thăng hoa là ph−ơng pháp sấy mới, đ−ợc thực hiện bằng cách hạ thấp nhiệt độ sản phẩm sấy xuống d−ới điểm đông lạnh và đ−ợc đặt trong bình chân không có áp suất gần với áp suất chân không tuyệt đối, khi đó n−ớc thoát ra khỏi sản phẩm sấy ở trạng thái rắn, tức là thăng hoa ẩm. Ph−ơng pháp này cho phép giữ lại chất dinh d−ỡng, mầu sắc, mùi vị của sản phẩm đ−ợc gần nh− nguyên vẹn mà không một ph−ơng pháp sấy nào khác có thể làm đ−ợc. Hơn nữa nó còn có giai đoạn lạnh đông có tác dụng tiêu diệt các vi khuẩn gây hại. Các loại sản phẩm sau khi sấy nếu đ−ợc bao gói cẩn thận có thể bảo quản đ−ợc trong một thời gian khá dài. Khi sử dụng chỉ cần cho ngậm n−ớc thì có thể hoàn nguyên trở lại gần nh− trạng thái ban đầu. Ngoài ra sấy thăng hoa không chỉ giảm một cách đáng kể sự bay hơi và biến đổi của các chất mẫn cảm với nhiệt, mà còn cho phép thu lại những chất đã bay hơi bằng cách làm ng−ng tụ và lạnh đông hơi ẩm thoát ra. Nhờ những −u điểm nổi bật đã nêu ở trên nên ph−ơng pháp sấy thăng hoa đ−ợc ứng dụng rất có hiệu quả trong việc làm khô các loại sản phẩm khó sấy nh− cà phê, hành, súp lơ, hải sản, hoa quả, d−ợc liệu, vật liệu siêu dẫn v.v… và có thể làm khô đ−ợc sản phẩm ở cả trạng thái rắn và lỏng. Các loại sản phẩm này nếu đ−ợc làm khô theo ph−ơng pháp sấy thăng hoa sẽ tạo ra sản phẩm có chất l−ợng cao không những đáp ứng đ−ợc nhu cầu thị tr−ờng trong n−ớc mà còn có cơ hội lớn để xuất khẩu. Cho đến nay, việc tiếp thu công nghệ và thiết bị mới này còn rất hạn chế. Nguyên nhân chủ yếu là do kết cấu thiết bị khá phức tạp, vốn đầu t− cao nên các cơ sở sản xuất khó chấp nhận. Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ và thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị sấy thăng hoa phù hợp với điều kiện sản xuất ở n−ớc ta nhằm nâng cao chất l−ợng và hạ giá thành sản phẩm là vấn đề rất cần thiết. Xuất phát từ tình hình thực tế sản xuất, đ−ợc sự h−ớng dẫn của thầy giáo TS. Trần Nh− Khuyên và các thầy cô giáo trong khoa Cơ Điện tôi tiến hành thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế hệ thống thiết bị làm khô thực phẩm bằng ph−ơng pháp sấy thăng hoa”. Ch−ơng 1 Tổng quan nghiên cứu 1.1. Tầm quan trọng của việc làm khô nông sản-thực phẩm 1.1.1. ý nghĩa của việc làm khô các loại nông sản-thực phẩm Trong sản xuất nông nghiệp, có nhiều loại nông sản-thực phẩm dễ h− hỏng nh− rau quả, thủy hải sản, thịt sữa. phần lớn các loại thực phẩm này đều đ−ợc sử dụng ở dạng t−ơi sống. Tuy nhiên, trong mùa vụ thu hoạch do khối l−ợng thực phẩm thu về nhiều nh−ng khả năng tiêu thụ và chế biến còn hạn chế nên trong công nghệ sau thu hoạch cần phải có những biện pháp tích cực để xử lý phần khối l−ợng thực phẩm d− thừa đó. Nhằm ổn định chất l−ợng thực phẩm trong thời gian chờ chế biến hoặc chế biến thành những sản phẩm khô phục vụ nhu cầu tiêu dùng xã hội. Hiện nay có hai ph−ơng pháp xử lý thực phẩm t−ơi sống có hiệu quả và đ−ợc áp dụng với qui mô lớn đó là ph−ơng pháp xử lý lạnh đông và ph−ơng pháp làm khô. Ph−ơng pháp xử lý lạnh là tạo cho sản phẩm ở trạng thái có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ bình th−ờng hoặc thấp hơn 0oC. ph−ơng pháp này có thể bảo quản thực phẩm trong thời gian vài tuần hoặc vài tháng tùy theo từng loại thực phẩm. Ph−ơng pháp xử lý lạnh cho phép giữ đ−ợc nhiều tính chất ban đầu kể cả màu sắc, h−ơng vị và đặc biệt là giữ đ−ợc nhiều nhất giá trị dinh d−ỡng của thực phẩm t−ơi sống. Tuy nhiên ph−ơng pháp này có nh−ợc điểm là chi phí cho một đơn vị sản phẩm rất cao, đặc biệt là chi phí lạnh. Ph−ơng pháp làm khô đ−ợc coi là một ph−ơng pháp để bảo quản và chế biến nông sản thực phẩm. Ph−ơng pháp này có một lịch sử lâu đời và đ−ợc phát triển mạnh do yêu cầu chiến tranh và th−ơng mại, nó tạo ra đ−ợc thực phẩm nhẹ hơn và giữ đ−ợc trong thời gian dài hơn mà không cần phải làm lạnh. Việc phơi khô quả nhờ ánh nắng mặt trời nh− đối với nho, mận, mơ, chà là đã đ−ợc thực hiện ở trung đông từ rất sớm, có thể là thời kỳ đồ đá cũ (old stone age). Các sản phẩm của cá, thịt đ−ợc phơi khô đã có cách đây mấy nghìn năm. các sản phẩm khoai tây đ−ợc làm khô và đ−ợc coi là thức ăn chủ yếu trong những ngày ăn kiêng của ng−ời dân vùng núi Ande đã có cách đây nhiều thế kỷ. T−ơng tự nh− vậy những thực phẩm ở dạng bột nhão đ−ợc làm khô nh− mỳ ống (macaroni), mỳ sợi (spaghety). ở vùng địa trung hải đ−ợc sử dụng nh− là thực phẩm chính thời kỳ trung đại (middle age). Chiến tranh đã thúc đẩy việc chế biến thực phẩm thành những món ăn sẵn. các loại thực phẩm nh− khoai tây khô, đậu Hà Lan khô, hành khô và nhiều loại rau khác đã phát triển rất mạnh đặc biệt là trong chiến tranh thế giới thứ nhất. Suốt trong chiến tranh thế giới lần thứ nhất một số l−ợng lớn rau khô đ−ợc sản xuất ở mỹ và đ−ợc chở bằng tàu biển đến mặt trận châu âu. Phơi khô rau quả bằng ánh nắng mặt trời ở Mỹ và các n−ớc viễn đông đ−ợc phát triển mạnh vào những năm sau 1800 đầu thế kỷ 20 (1930). Ng−ời ta đã áp dụng ph−ơng pháp làm khô nhân tạo để làm khô quả trong buồng sấy tunnel. Hệ thống này đã rút ngắn thời gian làm khô và tránh đ−ợc những biến động của thời tiết [4]. Chiến tranh thế giới lần thứ hai là tác nhân kích thích mạnh mẽ để phát triển các loại thực phẩm khô. Thực phẩm cho quân đội cũng nh− thực phẩm cho ng−ời dân bị đói khát trong những đất n−ớc bị tàn phá. Các loại thực phẩm này đ−ợc vận chuyển bằng tàu biển xuyên đại d−ơng nên cần phải có trọng l−ợng nhẹ và ổn định. Hàng triệu tấn sữa, trứng, rau quả và nhiều thực phẩm khác đ−ợc làm khô với mục đích này trong suốt thời kỳ 1940-1946. ở n−ớc ta, từ rất lâu ng−ời ta đã phơi khô các loại nông sản để cất giữ và làm giống từ năm này qua năm khác nh− lúa, ngô, đậu, lạc… khoai, sắn thái lát phơi khô là một hình thức bảo quản để làm thức ăn cho ng−ời và gia súc trong thời gian dài sau khi thu hoạch. Tôm, cá khô, măng, nấm h−ơng, mộc nhĩ… là sản phẩm th−ơng mại trên thị tr−ờng. Các loại quả đ−ợc chế biến theo ph−ơng pháp làm khô (long nhãn, vải…) chắc hẳn đã có từ thời kỳ th−ợng cổ. Cuối cùng cần kể đến là các vị thuốc bắc, thuốc nam đã đ−ợc sao tẩm và làm khô có thể cất giữ trong thời gian dài để chữa bệnh cho ng−ời, đã xuất hiện cùng với lịch sử dân tộc từ thời xa x−a. Trong thời gian gần đây, việc làm khô đ−ợc coi nh− là một ph−ơng tiện để cung cấp thực phẩm ăn sẵn và thực phẩm để nấu ăn nh− hỗn hợp pha trộn để làm bánh, những món ăn đ−ợc pha trộn để tráng miệng. Vì vậy chìa khóa của việc làm khô không chỉ để bảo quản và điều rất quan trọng là để dễ dàng pha trộn những hỗn hợp có thành phần khác nhau phù hợp với yêu cầu của thị tr−ờng, dùng trong việc chế biến ra các món ăn. ngày nay trên thị tr−ờng có tới hàng trăm loại thực phẩm có thành phần khác nhau đ−ợc làm khô mà phần lớn các thực phẩm này không cần phải xử lý nhiệt và bảo quản lạnh. 1.1.2. Một số thực phẩm t−ơi sống cần đ−ợc làm khô [1] Các loại thực phẩm t−ơi sống cần đ−ợc làm khô ở n−ớc ta rất phong phú đa dạng. d−ới đây giới thiệu năng lực sản xuất, thành phần hóa học và những đặc điểm có liên quan đến quá trình làm khô đối với một số loại thực phẩm có khối l−ợng lớn đ−ợc tiêu thụ nhiều ở thị tr−ờng trong n−ớc và xuất khẩu. a) Thịt Trong các năm qua, đóng góp của chăn nuôi vào giá trị sản xuất nông nghiệp không ngừng tăng, chiếm 17,9% năm 1990, và tăng lên 22% năm 2004. Chăn nuôi Việt Nam có tốc độ tăng đàn trung bình hàng năm trong 15 năm qua (1990-2004) đối với lợn là 6,17%, gà (5,75%), và bò thịt là 3,51%. Sản l−ợng thịt lợn, gia cầm và thịt trâu bò tăng t−ơng ứng là 7,52%; 4,32% và 3,45%. Theo số liệu thống kê, đến năm 2003 sản phẩm chăn nuôi sản xuất trong n−ớc bình quân đầu ng−ời/năm nh− sau: Tổng thịt lợn hơi các loại 31,71kg/ng−ời/năm (100%), trong đó: Thịt lợn hơi: 22,22kg (70,10%); Thịt gia cầm hơi: 6,93kg (21,80%); Thịt trâu, bò hơi: 2,56kg (8,10%) Nh− vậy, bình quân số l−ợng sản phẩm chăn nuôi/đầu ng−ời/năm của năm 2003 so với năm 1995 nh− sau: tổng thịt hơi các loại tăng 42,33%; thịt lợn tăng: 39,18%; thịt gia cầm tăng: 61,9%; thịt trâu, bò: 38,28%. Tuy nhiên, mức sản xuất sản phẩm chăn nuôi/đầu ng−ời/năm của n−ớc ta cũng đang ở mức thấp so với các n−ớc phát triển trong khu vực và trên thế giới. Giá trị dinh d−ỡng của thịt chủ yếu là nguồn prôtêin. Prôtêin của thịt là loại prôtêin hoàn thiện, chứa tất cả các acid amin cần thiết cho cơ thể. Thành phần lipit trong thịt làm cho thịt vừa có giá trị năng l−ợng cao hơn vừa góp phần tăng h−ơng vị thơm ngon của thịt. Thành phần hoá học của thịt đã đ−ợc nhiều tác giả nghiên cứu và công bố về thành phần dinh d−ỡng của một số loại vật nuôi (bảng 1-1). Bảng 1-1. Thành phần dinh d−ỡng của thịt một số vật nuôi Loại thịt Thành phần hoá học (g/100g) N−ớc Prôtêin Lipid Khoáng Calo Bò 70,5 18 10,5 1 171 Lợn mỡ Lợn 1/2 nạc Lợn nạc Trâu bắp Gà Vịt 47,5 60,9 73,0 72,3 69,2 59,5 14,5 16,5 19 21,9 22,4 17,8 37,5 21,5 7 4,9 7,5 2,8 0,7 1,1 1 0,9 0,9 0,9 406 298 143 118 152 276 Nguồn: Kết quả nghiên cứu của Phạm Văn Sổ và Bùi Thị Nh− Thuận Thực hiện chủ tr−ơng đ−a chăn nuôi thành nền sản xuất hàng hóa có hiệu quả cao, trong những năm qua Đảng và Nhà n−ớc đó có nhiều chủ tr−ơng, chính sách khuyến khích nghiên cứu và áp dụng những công nghệ tiên tiến của thế giới nhằm tạo b−ớc đột phá trong năng suất, chất l−ợng sản phẩm chăn nuôi. Tuy nhiên sản phẩm thịt chủ yếu đ−ợc tiêu thụ ở dạng t−ơi sống và lạnh đông nên thời gian bảo quản và l−u thông hàng hóa không đ−ợc thuận tiện và qui trình rất nghiêm ngặt trong vệ sinh an toàn thực phẩm. Một phần nhỏ l−ợng thịt đ−ợc chế biến ở các dạng đồ hộp ăn liền, số khác đ−ợc làm khô nh− thịt bò khô, nai khô… Những sản phẩm đ−ợc chế biến ở dạng này với số l−ợng ít và giá thành t−ơng đối cao nên trên thị tr−ờng ch−a đ−ợc dùng phổ biến. Đây chính là lĩnh vực cần khai thác trên thị tr−ờng thực phẩm khô, đặc biệt có ý nghĩa rất lớn trong việc giao l−u hàng hóa thực phẩm trong và ngoài n−ớc nhằm khai thác hết tiềm năng của ngành chăn nuôi. b) Hải sản Với 3260 km bờ biển, 12 đầm phá và các eo vịnh, 112 cửa sông, lạch, hàng ngàn đảo lớn nhỏ ven biển. Trong nội địa hệ thống sông ngòi, kênh rạch chằng chịt và các hồ thủy lợi, thủy điện, tạo cho n−ớc ta có tiềm năng lớn về mặt n−ớc với khoảng 1.700.000 ha. Nguồn nguyên liệu thuỷ sản Việt Nam rất dồi dào quanh năm. ở n−ớc ta có tới khoảng 2000 loài cá, trong đó đã định tên gần 800 loài và hơn 40 loài có giá trị kinh tế lớn. Ngoài nguồn cá, n−ớc ta còn có nguồn đặc sản quý với sản l−ợng tới 20% sản l−ợng thuỷ sản nói chung và chiếm vị trí kinh tế đáng kể. Đó là các loài tôm, cua, mực, l−ơn, ngao, sò, ốc, hải sâm, sam sứa, đồi mồi v.v… Hiện nay mức tiêu dùng của ng−ời Việt Nam đối với các loại thủy sản −ớc tính chiếm khoảng 50% về tiêu dùng thực phẩm chứa prôtein. Riêng về cá đã cung cấp khoảng 8kg/ng−ời/năm, trong đó nuôi chiếm khoảng 30%. Những năm tới xu thế đời sống nhân dân ngày một khá lên, mức tiêu dùng thực phẩm sẽ tăng. Điều đáng quan tâm là ngày nay nhân dân đã có xu thế thiên về sử dụng thực phẩm ít béo. Do đó cá và sản phẩm gốc là thủy sản làm thực phẩm chiếm phần quan trọng. Trong đó cá nuôi cung cấp tại chỗ, ít chi phí vận chuyển, đảm bảo đ−ợc t−ơi sống lại càng có vai trò quan trọng hơn. Theo chiến l−ợc phát triển kinh tế-xã hội của ngành thuỷ sản, đến năm 2010 tổng sản l−ợng thuỷ sản trên 3,5 triệu tấn. Trong đó −u tiên cho xuất khẩu khoảng 40% và theo số liệu của FAO sản phẩm thuỷ sản dành cho chăn nuôi 30%, thì sản lựơng còn lại dành cung cấp thực phẩm cho ng−ời. Nếu so với l−ợng tiêu dùng thuỷ sản bình quân đầu ng−ời trên thế giới theo −ớc tính của FAO là 13,4 kg/ng−ời vào năm 1994 và so với mức 27 kg/ng−ời/năm của các n−ớc đang phát triển hiện nay thì ở n−ớc ta ch−a đáp ứng đ−ợc. Bảng 1-2. Thành phần hóa học và giá trị dinh d−ỡng của các loại cá Protít (%) (W*6,25) Mỡ (%) Lipit N−ớc (%) Tro (%) Khả năng sinh nhiệt Tên cá Vụ Nam Vụ Bắc TB Vụ Nam Vụ Bắc TB Vụ Nam Vụ Bắc TB Vụ Nam Vụ Bắc TB 100g thịt cá 100g cá Thu chấm 20,64 20,16 20,40 1,25 3,74 2,5 77,4 75,3 75,35 1,37 1,41 1,39 106,85 86,9 Nục mỡ 18,89 20,9 20,4 1,02 1,27 9,14 78,24 77,7 78,98 1,24 1,35 1,3 100,75 59,4 Chim trắng 18,33 18,57 18,45 1,86 2,95 2,4 78,5 77,54 78,02 1,24 1,34 1,29 97,06 71,55 Chim đen 20,36 20,36 1,20 1,2 77,7 77,7 77,7 1,4 1,4 94,63 65,18 Phèn hai sọc 19,64 20,15 19,9 1,60 2,54 2,06 77,69 75,3 76,5 1,6 2,54 2,06 94,24 61,85 Sú hồng 19,70 20,27 20,04 0,95 1,90 1,02 78,18 77,64 77,9 1,2 1,25 1,22 91,70 54,00 Mối th−ờng 19,23 20,34 19,78 1,07 1,25 1,16 78,46 78,17 78,33 1,33 1,28 1,32 91,68 60,10 L−ợng ngân 18,04 18,17 18,5 1,07 1,18 1,2 79,13 78,23 78,68 1,16 1,38 1,34 86,14 51,00 Thân mực Đầu râu mực 17,1 – 18,8 15,6 0,2-0,4 0,3-0,5 78,1-80,5 78,9-81,8 1,3-1,4 1,2-1,7 Glycogen(%) 0,7-1,3 0,8-1,3 Tuỳ theo tính chất vật lí, thành phần cơ cấu và thành phần hoá học mà từng loại nguyên liệu thuỷ sản có giá trị dinh d−ỡng khác nhau, đòi hỏi con ng−ời phải có biện pháp kĩ thuật thích ứng trong khai thác, vận chuyển, bảo quản và chế biến khác nhau (bảng 1-2). Theo số liệu thống kê mặt hàng xuất khẩu có thế mạnh đó là thủy sản thì chúng ta thấy mặt hàng khô xuất khẩu với số l−ợng rất thấp so với các mặt hàng đông lạnh cùng loại (bảng 1-3). Điều này chứng tỏ mặt hàng khô không phải là thế mạnh của chúng ta, nhất là các sản phẩm mang tính cao cấp này đòi hỏi cần có một qui trình chế biến hiện đại nhằm nâng cao chất l−ợng th−ơng phẩm của hàng hóa. Bảng 1-3. Giá trị xuất khẩu các mặt hàng khô Mặt hàng Số l−ợng (tấn) Giá trị (Đôla Mỹ) Cá khô 14755,54 47916251 Mực khô 9793,97 65420451 Ruốc khô 6972,17 5208457 Tôm khô 1084,62 4292603 Trong thị tr−ờng nội địa thì các sản phẩm khô truyền thống nh− tôm, cá khô v.v… lại chủ yếu chế biến bằng ph−ơng pháp thủ công không đảm bảo về vệ sinh an toàn thực phẩm và phụ thuộc nhiều vào điều kiện tự nhiên của từng khu vực. Các sản phẩm khô này đ−ợc sản xuất với số l−ợng rất nhỏ so với sản phẩm t−ơi sống, một phần đ−ợc làm khô nhằm phục vụ cho sản xuất thức ăn chăn nuôi. Do vậy năng lực sản xuất là rất thấp và mang tính thủ công nhằm giải quyết nhân lực d− thừa trong địa ph−ơng. c) Rau quả Tình hình sản xuất rau ở n−ớc ta trong những năm gần đây có xu h−ớng tăng cả về diện tích, năng suất và sản l−ợng. Mức độ tăng bình quân hàng năm về diện tích là 4,6%, về năng suất là 0,7%, về sản l−ợng là 5,1%, l−ợng rau tiêu thụ bình quân đầu ng−ời là 65 kg/năm. Ngoài l−ợng lớn rau tiêu thụ trong n−ớc thì rau xuất khẩu cũng là mặt hàng có giá trị kinh tế cao. Kim ngạch xuất khẩu rau quả của cả n−ớc trong những năm qua luôn có xu h−ớng gia tăng từ 56 triệu USD năm 1995 lên 300 triệu USD năm 2001 (hình 1-1). Trong rau có nhiều loại vitamin nh− vitamin A, B1, B2, C, E… chúng có tác dụng quan trọng trong quá trình phát triển của cơ thể. Vitamin B1 có vai trò quan trọng trong trao đổi gluxit, esgosterol trong rau xanh khi vào trong cơ thể ng−ời d−ới tác dụng của tia tử ngoại sẽ chuyển hoá thành vitamin D chống phát sinh bệnh còi x−ơng. Chất khoáng trong rau chủ yếu là Ca, P, Fe là những chất cần thiết cho tạo máu và x−ơng. Chất khoáng có tác dụng điều hoà và cân bằng kiềm trong máu, làm tăng khả năng đồng hoá các chất dinh d−ỡng. D−ới đây giới thiệu một số loại rau quả đ−ợc th−ơng mại hóa ở dạng 0 50 100 150 200 250 300 350 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 Nă m X uấ t k hẩ u (T ri ệu U SD ) Hình 1-1. Xu h−ớng xuất khẩu rau quả của Việt Nam (Nguồn: Điều tra của IFPRI ) sản phẩm khô. Măng tây mới đ−ợc chú ý phát triển, nó có giá trị dinh d−ỡng cao nh− hàm l−ợng chất khó hoà tan trung bình 7%, đ−ờng tổng số 3%, protein 0,7%, vitamin 14,16mg/100g. Măng tre là nguồn thực phẩm có giá trị cao, trong rau măng có nhiều xenlulo, đạm, đ−ờng, muối khoáng và vitamin... theo nh− Victor Cusack (Australia) trong cuốn “Bamboo Rediscovered” xuất bản năm 1997 thì măng tre có những thành phần chính nh− Carbonhydrate 4,2,6,1%, protein 2,6,4,0%, chất béo 0,3,0,5%, glucoza 1,8,4,1%, canxi 81,86mg/100g, photpho 42,59mg/100g, natri 91mg/100g... Nấm ăn đ−ợc xem nh− một loại rau cao cấp, có nhiều loại nh− nấm rơm, nấm mỡ, nấm h−ơng, nấm bào ng−, nấm mèo... Nấm là loại thực phẩm quý, có giá trị dinh d−ỡng cao, dễ tiêu, đ−ợc dùng chế biến các món ăn cao cấp và làm thuốc. Mặc dù đạt tốc độ tăng khá cao trong những năm gần đây, nh−ng kim ngạch xuất khẩu rau qủa của Việt Nam vẫn còn thấp. Theo số liệu của FAO giá trị xuất khẩu của rau quả Việt Nam mới chỉ chiếm 10% tổng kim ngạch xuất khẩu nông sản. Trong khi đó con số này ở Trung Quốc và Thái Lan là trên 20%, Philippin gần 40%, và Bồ Đào Nha là 50% v.v... Một trong những nguyên nhân chính là do công nghệ và thiết bị chế biến. Theo điều tra mới đây của IFPRI (Viện nghiên cứu chính sách l−ơng thực quốc tế) cho thấy ở n−ớc ta số thiết bị chế biến rau quả phần lớn là các máy móc và công nghệ lạc hậu nhập phổ biến từ Liên Xô cũ, Trung Quốc, v.v… Do đó sản phẩm làm ra không đủ sức cạnh tranh trên thị tr−ờng cả trong và ngoài n−ớc. Vì vậy việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cao vào sản xuất là hết sức cần thiết. Tr−ớc tình hình đó, Chính phủ đã thông qua “Dự án phát triển rau quả và cây cảnh đến năm 2010”. Theo đó, kim nghạch xuất khẩu rau, hoa, quả sẽ đạt 1tỷ USD, tiêu thụ rau bình quân đầu ng−ời là 85kg/năm, diện tích trồng rau quả là 1,31 triệu ha, sản l−ợng lên đến 20 triệu tấn, dự kiến kế hoạch này giúp tạo thêm 5 triệu việc làm (Bảng 1-4). Bảng 1-4. Kế hoạch mở rộng sản xuất nông sản đến năm 2010 Một số Loại rau Diện tích (1000 ha) Sản l−ợng (1000 tấn) L−ợng chế biến (1000 tấn) Vốn đầu t− (triệu USD) Cầu về lao động (1000 ng−ời) Măng tây 20 200 150 90 400 Măng tre 15 200 150 45 60 Nấm -- 200 100 65 100 Đậu 7,5 187,5 120 45 120 Cà chua 6 240 33 6 30 Nguồn: Thời báo kinh tế Việt Nam số 41, 1999, trang 30. Phần lớn các sản phẩm rau quả chủ yếu đ−ợc tiêu thụ ở dạng t−ơi sống trong đó có một phần lớn đ−ợc tiêu thụ ở dạng khô ví dụ nh− măng tre, măng tây, nấm nhằm dự trữ và điều hòa nguồn thực phẩm cho các khu đô thị và hải đảo. 1.2. Tầm quan trọng của sấy thăng hoa Hiện nay một số loại thực phẩm t−ơi sống nh− rau quả thịt, cá, tôm... cần đ−ợc làm khô tới thuỷ phần an toàn để bảo quản đ−ợc lâu dài, đồng thời làm giảm khối l−ợng và thể tích thuận lợi cho quá trình bao gói, bảo quản, vận chuyển và l−u thông phân phối. Để làm khô các loại thực phẩm kể trên tới độ ẩm an toàn bảo quản, ng−ời ta có thể dùng nhiều ph−ơng pháp khác nhau nh−ng về bản chất vẫn thuộc một trong 2 ph−ơng pháp: sấy nhiệt và sấy lạnh. Ph−ơng pháp sấy nhiệt là ph−ơng pháp làm khô truyền thống đ−ợc thực hiện bằng cách gia nhiệt cho sản phẩm. Do sấy ở nhiệt độ cao nên đã làm thay đổi một số tính chất của sản phẩm nh− biến tính protein d−ới tác dụng của nhiệt độ cao làm thay đổi tính hoà tan và cấu trúc, mầu sắc và mùi vị của thực phẩm; thuỷ phân lipid do hoạt động của enzym ở nhiệt độ cao và sự oxy hoá axit béo không bão hoà có thể làm mất h−ơng vị tự nhiên và tạo ra các mùi lạ trong một số sản phẩm sấy (ví dụ nh− mùi xà phòng); cacbonhydrat hoá th−ờng xảy ra khi sấy ở nhiệt độ cao, khi đó đ−ờng có thể bị caramen hoá để tạo nên mầu nâu đậm đen; tổn thất các vitamin th−ờng xảy ra khi thực phẩm đ−ợc làm nóng, đặc biệt là các loại vitamin nhạy cảm với nhiệt… Ngoài ra còn có những biến đổi không có lợi về cơ lý, hoá lý, hoá sinh khác trong quá trình sấy. Từ những biến đổi không mong muốn kể trên ta có thể rút ra nhận xét: sấy thực phẩm nói chung theo ph−ơng pháp nâng cao nhiệt độ không mang lại chất l−ợng cao cho sản phẩm. Ph−ơng pháp sấy thăng hoa là ph−ơng pháp sấy mới đ−ợc thực hiện bằng cách hạ thấp nhiệt độ sản phẩm sấy xuống d−ới điểm đông lạnh (th−ờng d−ới -10oC) và đ−ợc đặt trong bình chân không có áp suất gần với áp suất chân không tuyệt đối (0,001⎟ 4,58mmHg), khi đó n−ớc thoát ra khỏi sản phẩm sấy ở trạng thái rắn, tức là thăng hoa ẩm. Ph−ơng pháp này cho phép giữ lại chất dinh d−ỡng, mầu sắc, mùi vị của sản phẩm đ−ợc gần nh− nguyên vẹn mà không một ph−ơng pháp sấy nào khác có thể làm đ−ợc. Hơn nữa nó còn có giai đoạn lạnh đông có tác dụng tiêu diệt các vi khuẩn gây hại. Các loại sản phẩm sau khi sấy nếu đ−ợc bao gói cẩn thận có thể bảo quản đ−ợc trong một thời gian khá dài, th−ờng trên 12 tháng. Khi sử dụng chỉ cần cho ngậm n−ớc trở lại thì hình dạng, màu sắc, mùi vị của sản phẩm có thể trở về nh− trạng thái ban đầu. Ngoài ra sấy thăng hoa không chỉ giảm một cách một cách đáng kể sự bay hơi và biến đổi của các chất mẫn cảm với nhiệt, mà còn cho phép thu lại những chất đã bay hơi bằng cách làm ng−ng tụ và lạnh đông hơi ẩm thoát ra. Nhờ những −u điểm nổi bật đã nêu ở trên nên ph−ơng pháp sấy thăng hoa đ−ợc ứng dụng rất có hiệu quả trong việc làm khô các loại sản phẩm khó sấy nh− cà phê, hành, súp lơ, hải sản, hoa quả, d−ợc liệu, vật liệu siêu dẫn… và có thể làm khô đ−ợc sản phẩm ở cả trạng thái rắn và lỏng [5]. Trong lĩnh vực thực phẩm, kỹ thuật sấy thăng hoa có ý nghĩa lớn trong việc dự trữ nguồn thực phẩm (có giá trị t−ơng đ−ơng với thực phẩm t−ơi sống), tăng khả năng điều hòa, cung ._.cấp thực phẩm cho các thành phố lớn và các khu đông dân, tạo điều kiện thuận lợi cho việc giao l−u hàng hóa thực phẩm trong và ngoài n−ớc. Đối với các n−ớc tiên tiến sấy thăng hoa đ−ợc áp dụng phổ biến trong các ngành: kỹ thuật thực phẩm, d−ợc phẩm, công nghệ enzym, kỹ thuật gốm, kỹ thuật sản xuất vật liệu siêu dẫn v.v… ở n−ớc ta, chỉ xét riêng về lĩnh vực chế biến thực phẩm, do nguồn thực phẩm t−ơi sống khá dồi dào, trong đó có nhiều loại thực phẩm dễ h− hỏng có số l−ợng lớn cần đ−ợc làm khô nh− măng, nấm, hành, súp lơ, vải, nhãn, xoài, thịt bò, tôm, cá… Các loại sản phẩm này nếu đ−ợc làm khô theo ph−ơng pháp sấy thăng hoa sẽ tạo ra sản phẩm có chất l−ợng cao không những đáp ứng đ−ợc nhu cầu thị tr−ờng trong n−ớc mà còn có cơ hội lớn để xuất khẩu. Cho đến nay, việc tiếp thu công nghệ và thiết bị mới này còn rất hạn chế. Nguyên nhân chủ yếu là do kết cấu thiết bị khá phức tạp, vốn đầu t− cao, chi phí năng l−ợng riêng lớn nên các cơ sở sản xuất khó chấp nhận. Vì vậy, việc nghiên cứu công nghệ và thiết kế, chế tạo hệ thống thiết bị sấy thăng hoa phù hợp với điều kiện sản xuất ở n−ớc ta nhằm nâng cao chất l−ợng và hạ giá thành sản phẩm là vấn đề rất cần thiết. 1.3. tình hình ứng dụng sấy thăng hoa trong và ngoài n−ớc Sấy thăng hoa lần đầu tiên đ−ợc ứng dụng rộng rãi trong sản xuất vào năm 1940, khi làm lạnh khô huyết t−ơng và máu (Rey, 1975). Từ đó cho đến nay ph−ơng pháp này đã đ−ợc nghiên cứu cải tiến, thiết kế chế tạo để dần đi đến hoàn thiện. Hệ thống sấy thăng hoa đ−ợc áp dụng ở dạng liên tục và gián đoạn. 1.3.1. Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa gián đoạn Thiết bị này chỉ thực hiện sấy theo từng mẻ, sau mỗi mẻ sấy ng−ời vận hành lại phải mở bình thăng hoa để lấy sản phẩm ra và đ−a mẻ sấy mới vào (hình 1-2). Loại này có −u điểm là: cấu tạo đơn giản hơn, vốn đầu t− cho thiết bị thấp hơn, kỹ thuật vận hành không phức tạp. Nh−ng lại có nh−ợc điểm đó là phải thực hiện một số thao tác thủ công nh− đ−a nguyên liệu vào và lấy sản phẩm ra. Loại thiết bị này áp dụng phổ biến ở những n−ớc đang phát triển [15]. Hình 1-2. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo thiết bị sấy thăng hoa gián đoạn 1. Bình thăng hoa; 2. Van; 3. Xyfon; 4. Bể chứa n−ớc nóng; 5. Bình ng−ng đóng băng; 6. Bình tách lỏng; 7. Giàn ng−ng của máy lạnh; 8. Bình chứa amoniac; 9. Máy nén; 10. Bơm chân không; 11,12,13. Động cơ điện; 14. Bơm ly tâm; 15. Phin lọc; 16. Tấm gia nhiệt; 17. Chân không kế; 18. Van điều chỉnh; 19. Khay chứa sản phẩm;20. Tấm gia nhiệt; 21. Bộ điều chỉnh nhiệt. 1.3.2. Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa liên tục ở loại thiết bị này, có các khay đựng thực phẩm đã đ−ợc làm đông lạnh tr−ớc khi đ−a vào trong hầm sấy theo một hệ thống băng tải đặc biệt và di chuyển qua các bản mặt nung nóng ở nhiệt độ nhất định, thiết bị có bộ phận Đến bơm chân không Bề mặt cấp nhiệt Van Sản phẩm vào Van Đến bơm chân không giữ chân không ở mỗi đầu. Nhiệt độ của nguồn nhiệt và thời gian l−u sản phẩm trong mỗi ngăn đ−ợc lập trình riêng cho mỗi loại thực phẩm. Có bộ vi xử lý theo dõi và kiểm soát thời gian, nhiệt độ không khí và nhiệt độ bề mặt thực phẩm, áp suất chân không trong buồng sấy. Có thể sấy đông liên tục các hạt nhỏ một cách nhanh chóng bằng máy sấy đông tầng sôi, truyền nhiệt để thăng hoa bằng đối l−u và bức xạ. Tuy nhiên, sự xáo chuyển vật liệu sấy có thể gây gẫy vỡ và sinh bụi. Trong một số tr−ờng hợp sấy đông có thể dùng tia hồng ngoại hoặc vi sóng để nung nóng. Loại này có −u điểm là tiết kiệm đ−ợc thời gian, khả năng tự động hoá và cơ giới hoá cao, có năng suất cao. Tuy nhiên thiết bị lại phức tạp, giá thiết bị cao, công nhân vận hành phải có trình độ kỹ thuật cao. Vì vậy loại thiết bị này đ−ợc áp dụng phổ biến ở những n−ớc phát triển [16]. Cấu tạo bình thăng hoa ở hệ thống thiết bị sấy liên tục có nhiều loại do tính đa dạng của chủng loại máy. Đ−ợc áp dụng phổ biến là các dạng nh− thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu khay (hình1-3), kiểu dao động (hình 1-4), kiểu băng tải (hình 1-5), kiểu đĩa tuần hoàn [14]. Khí trơ Bơm chân không Sản phẩm trên khay Tiếp nhận Van cổng Đ−ờng hầm làm khô Sản phẩm ra Nguồn nhiệt Bình ng−ng Hình 1-3. Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu khay Hình 1-4. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu dao động Hình 1-5. Sơ đồ nguyên lý của thiết bị sấy thăng hoa liên tục kiểu băng tải 1. Bộ phận tiếp nhận 2. Vỏ bình 3. Nguồn gia nhiệt 4. Sản phẩm 5. băng tải 6. Bộ phận tháo sản phẩm ra Bình sấy thăng hoa ở hệ thống sấy thăng hoa liên tục có nhiều điểm khác so với ở hệ thống sấy thăng hoa gián đoạn là các khay đựng sản phẩm đ−ợc thay bằng các đĩa tuần hoàn hoặc các băng tải xích hay các băng tải dao động. Tốc độ chuyển động của chúng đ−ợc tính toán sao cho kết thúc một chu trình sản phẩm lấy ra đạt yêu cầu. Ngoài ra còn có thêm bộ phận tiếp nhận sản phẩm vào và tháo sản phẩm ra, đ−ợc ngăn cách với bình thăng hoa và môi 1 2 3 4 5 6 7 Đến bơm chân không Đến bơm chân không Sản phẩm ra Nạp sản phẩm vào tr−ờng ngoài bằng các van để đảm bảo áp suất trong bình thăng hoa không bị thay đổi khi nhận sản phẩm vào hay lấy sản phẩm ra. Trên hình 1-6 là hệ thống thiết bị sấy thăng hoa liên tục của hãng Virtis Gardiner, NY và trên hình 1-7 là hệ thống thiết bị sấy thăng hoa liên tục với bình ng−ng đặt ngoài của hãng Hull Hatboro, PA. Hình 1-6. Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa liên tục Ph−ơng pháp sấy thăng hoa mặc dù đã đ−ợc áp dụng từ lâu ở một số n−ớc trên thế giới, song ở Việt Nam trong thời gian qua, sấy thăng hoa còn ít đ−ợc chú ý đến do hệ thống thiết bị khá phức tạp, vốn đầu t− ban đầu và chi phí năng l−ợng cho vận hành cao. Tuy nhiên, cho đến nay nền kinh tế n−ớc ta đã có những b−ớc phát triển v−ợt bậc, trình độ khoa học kỹ thuật đã đạt đ−ợc những thành tựu đáng kể, đời sống nhân dân ngày càng đ−ợc nâng cao. Do đó việc nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật tiên tiến nh− sấy thăng hoa vào trong sản xuất là một điều tất yếu. Nếu đ−ợc quan tâm, đầu t− đúng mức chúng ta hoàn toàn có thể thiết kế và đi đến chế tạo đ−ợc một hệ thống sấy thăng hoa hoàn chỉnh, phù hợp với qui mô sản xuất và vốn đầu t− của các doanh nghiệp trong n−ớc nhằm tạo ra sản phẩm sấy có chất l−ợng cao đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong n−ớc và xuất khẩu. Hình 1-7. Hệ thống thiết bị sấy thăng hoa với bình ng−ng đặt ngoài ( Hãng Hull, Hatboro, PA) 1.4. mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu 1.4.1. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu để xác định một số thông số về cấu tạo và chế độ làm việc của thiết bị sấy măng bằng ph−ơng pháp thăng hoa làm cơ sở cho việc thiết kế, chế tạo mẫu máy nhằm nâng cao năng suất và chất l−ợng sản phẩm, giảm mức chi phí điện năng riêng tạo điều kiện giảm giá thành chế tạo máy. 1.4.2. Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của quá trình sấy thăng hoa. - Thiết kế chế tạo mô hình thiết bị sấy thăng hoa thí nghiệm. - Nghiên cứu quan hệ trao đổi nhiệt ẩm trong thiết bị sấy thăng hoa thí nghiệm. - Khảo nghiệm xác định một số thông số chính của mô hình thiết bị sấy thăng hoa. Không khí ẩm Không khí khô Môi chát lạnh (hơi) Môi chất lạnh (lỏng) 3 Khí ra 1 2 5 4 Ch−ơng 2 đối t−ợng và ph−ơng pháp nghiên cứu 2.1. Đối t−ợng nghiên cứu Để phù hợp với qui mô sản xuất và vốn đầu t− của các cơ sở chế biến thực phẩm ở Việt Nam chúng tôi chọn thiết bị sấy thăng hoa làm việc gián đoạn làm đối t−ợng nghiên cứu. B−ớc đầu đã tính toán thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị sấy thăng hoa thí nghiệm với năng suất 10kg/mẻ (ký hiệu ST-10). Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của mô hình thiết bị sấy ST-10 đ−ợc thể hiện trên hình 2-1. Hình 2-1. Sơ đồ cấu tạo thiết bị sấy thăng hoa ST-10 1. Bình thăng hoa, 2. Dàn ng−ng của máy lạnh, 3. Máy nén của máy lạnh 4. Bình ng−ng, 5. Bơm chân không. Hệ thống thiết bị gồm có: bình thăng hoa 1 đ−ợc nối với bơm chân không 5 qua bình ng−ng 4. Bình thăng hoa là một hình trụ tròn nằm ngang, hai đầu có dạng chỏm cầu, trong đó một đầu đ−ợc liên kết với thân hình trụ bằng bu lông để đ−a vật liệu sấy vào. Trong bình thăng hoa, các khay chứa vật liệu sấy đ−ợc đặt xen kẽ với các hộp gia nhiệt bằng kim loại. Các hộp này đ−ợc cấp nhiệt bằng n−ớc nóng l−u thông tuần hoàn nhờ bơm ly tâm. Thùng chứa n−ớc có lắp bộ gia nhiệt kiểu sợi đốt điện trở. Để duy trì nhiệt độ bức xạ ổn định, trong bình thăng hoa có lắp cảm biến nhiệt kế tiếp điểm liên kết với bộ phận điều khiển nhiệt độ của n−ớc trong thùng chứa. Do nhiệt độ trong bình thăng hoa rất thấp và độ chân không rất cao nên nhiệt truyền từ các bề mặt của hộp gia nhiệt sang vật liệu sấy chủ yếu là do bức xạ nhiệt. áp suất trong bình thăng hoa đ−ợc điều chỉnh nhờ van trọng l−ợng, có chân không kế kiểm tra. Bình ng−ng 4 có dạng hình trụ, nắp và đáy có dạng chỏm cầu. Bình ng−ng có nhiệm vụ ng−ng tụ hơi n−ớc từ bình thăng hoa tr−ớc khi vào bơm chân không để làm giảm tải cho bơm chân không. Để làm ng−ng tụ hơi n−ớc, trong bình thăng hoa có đặt thiết bị trao đổi nhiệt dạng hình trụ vòng với hai bề mặt trao đổi nhiệt dạng l−ợn sóng, bên trong có ống dẫn tác nhân lạnh l−u thông. Với kết cấu nh− trên đã tăng đ−ợc diện tích bề mặt trao đổi nhiệt và việc chế tạo lại không phức tạp nh− các bình ng−ng có thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống vẫn th−ờng gặp trong các thiết bị lạnh. Hỗn hợp hơi n−ớc-không khí đ−ợc bơm chân không hút từ bình thăng hoa qua l−ới phân phối ở phía d−ới đi vào trong bình ng−ng. Môi chất lạnh NH3 (ở dạng lỏng) đ−ợc máy lạnh cấp vào đ−ờng ống. Tại đây hỗn hợp hơi n−ớc-không khí từ bình thăng hoa đ−a vào sẽ đ−ợc làm lạnh, khi đó hơi n−ớc ng−ng tụ lại bám vào mặt trong và ngoài của bề mặt trao đổi nhiệt l−ợn sóng đọng xuống đáy bình ng−ng và định kỳ đ−ợc xả ra, còn không khí khô qua bơm chân không 5 ra ngoài. Môi chất lạnh nhận nhiệt của hỗn hợp hơi n−ớc-không khí để bay hơi và trở về máy nén 3, sau đó đ−ợc làm mát tại dàn ng−ng 2 của máy lạnh và chuyển thành dạng lỏng tr−ớc khi vào bình ng−ng 4 thành vòng tuần hoàn trong hệ thống. * Ưu nh−ợc điểm: - Cấu tạo đơn giản, kỹ thuật vận hành không phức tạp. - Vốn đầu t− cho thiết bị thấp. Nguyên lý hoạt động Quá trình sấy thăng hoa trong mô hình thiết bị gồm 3 giai đoạn: - Giai đoạn lạnh đông: vật liệu tự lạnh đông trong buồng thăng hoa. Khi hút chân không, áp suất trong buồng thăng hoa giảm xuống, nên phân áp suất hơi n−ớc trong không gian bình thăng hoa giảm so với phân áp suất hơi n−ớc trong vật liệu sấy, ẩm tự do trong vật liệu sấy bay hơi mạnh làm giảm nhiệt độ của nó xuống d−ới nhiệt độ đóng băng. Với áp suất chân không trong bình thăng hoa gần với áp suất âm tuyệt đối thì vật liệu sấy có thể đ−ợc lạnh đông tới nhiệt độ – 18oC. - Giai đoạn thăng hoa: Trong giai đoạn này, áp suất chân không trong bình thăng hoa đ−ợc duy trì từ 1ữ 3 mmHg và nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ cấp cho vật liệu sấy có thể thay đổi đ−ợc trong phạm vi từ 35 ữ 50oC. Nhờ dòng nhiệt bức xạ này mà n−ớc trong vật liệu sấy thăng hoa mãnh liệt, độ ẩm vật liệu sấy giảm nhanh. Phần lớn nhiệt l−ợng vật liệu sấy nhận đ−ợc dùng để biến thành hơi n−ớc, do đó nhiệt độ vật liệu sấy hầu nh− không đổi. Đến cuối giai đoạn thăng hoa, nhiệt độ vật liệu sấy mới tăng dần và quá trình thăng hoa kết thúc khi nhiệt độ vật liệu sấy tăng đến 0oC. - Giai đoạn sấy ẩm d−: Sau giai đoạn thăng hoa, nhiệt độ vật liệu sấy lớn hơn 0oC nên ẩm trong vật liệu sấy trở về trạng thái lỏng. Tiếp tục duy trì áp suất chân không và gia nhiệt cho vật liệu sấy để chuyển ẩm từ dạng lỏng sang dạng hơi cho tới khi đạt độ ẩm yêu cầu. 2.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu 2.2.1. Ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố [8] Bằng ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm xác định ảnh h−ởng của các thông số đầu vào đến chất l−ợng sản phẩm sấy, qua đó xác định đ−ợc các giá trị tối −u để làm cơ sở thiết kế, tính toán và lựa chọn kết cấu máy và chế độ làm việc của thiết bị. Có rất nhiều yếu tố làm ảnh h−ởng đến chất l−ợng sản phẩm sấy nh− nhiệt độ lạnh đông, bề dầy vật liệu sấy, nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ, độ ẩm vật liệu sấy… Khi nghiên cứu không thể lấy tất cả các yếu tố kể trên mà chỉ lựa chọn các yếu tố chính. Để lựa chọn các yếu tố chính, bằng ph−ơng pháp thu thập thông tin từ các tài liệu có liên quan, đặc biệt là việc tìm hiểu các mẫu máy trên thực tế sản xuất các thông số nghiên cứu đ−ợc lựa chọn nh− sau: Các yếu tố vào: Nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy: Tl ( oC) áp suất chân không trong bình thăng hoa: P (mmHg) Bề dầy vật liệu sấy: S (mm) Nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ: Tb ( oC) Các thông số ra: Thời gian sấy: τ (h) Chi phí điện năng riêng: Nr (kWh/kgH2O) Các yếu tố đầu vào và ra của thiết bị đ−ợc mô tả theo sơ đồ sau: Y1 Y2 Trong đó : Các ký hiệu của thông số vào x1- Nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy, Tl ( oC) x2- áp suất chân không trong bình thăng hoa, P (mmHg) x3- Bề dầy vật liệu sấy, S (mm) Đối t−ợng nghiên cứu Thiết bị sấy thăng hoa x1 x2 x3 x4 x4- Nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ, Tb ( oC) Các ký hiệu của thông số ra Y1- Thời gian sấy, τ (h) Y2- Chi phí điện năng riêng, (kWh/kgH2O) Ph−ơng pháp nghiên cứu đơn yếu tố nhằm nghiên cứu ảnh h−ởng của từng yếu tố vào tới các thông số ra, qua đó tìm đ−ợc mức biến thiên, khoảng biến thiên và khoảng nghiên cứu thích hợp của từng yếu tố, làm cơ sở cho ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố. Nguyên tắc của ph−ơng pháp này là cố định các yếu tố khác, chỉ thay đổi một yếu tố xác định, theo dõi ảnh h−ởng của yếu tố đó với thông số ra. 2.3. Ph−ơng pháp thực nghiệm đo đạc xử lý và gia công số liệu 2.3.1. Ph−ơng pháp xác định chi phí điện năng riêng - Chi phí năng l−ợng riêng Nr(kWh/kgH2O) bao gồm: năng l−ợng điện tiêu thụ ở sợi đốt điện trở, năng l−ợng điện chi phí cho hoạt động của bơm chân không, máy nén tác nhân lạnh và bơm ly tâm tuần hoàn n−ớc vào hộp gia nhiệt. Chi phí năng l−ợng riêng đ−ợc đo bằng đồng hồ công tơ và tính theo công thức: G aNr = (2-1) a- Chỉ số điện năng tiêu thụ trên công tơ, kWh; G- Khối l−ợng n−ớc bốc hơi trong quá trình sấy, kgH2O. 2.3.2. Ph−ơng pháp xác định thời gian sấy Dùng đồng hồ xác định thời gian bắt đầu sấy cho đến khi sản phẩm đạt độ ẩm yêu cầu bảo quản. Thời gian sấy τ(h) bao gồm: thời gian lạnh đông, thời gian thăng hoa và thời gian sấy ẩm d−. 2.3.3. Ph−ơng pháp xử lý số liệu thực nghiệm [6] Để gia công và xử lý các số liệu thực nghiệm ta dùng ph−ơng pháp thống kê toán học. Sau n lần lặp ta đ−ợc các giá trị đo đạc xi (i = 1..n), giá trị trung bình của các phép đo đ−ợc tính theo công thức: ∑ = = n i ixn x 1 1 (2-2) Ph−ơng sai quân ph−ơng của phép đo: 1 )( 1 − − = ∑ = n xx n i i σ (2-3) Độ tin cậy xác định theo phân phối chuẩn với zα=0,05 = 1,96 sẽ là x ± zασ (2-4) Sử dụng luật phân phối chuẩn theo qui tắc 3σ để kiểm tra lại độ tin cậy của các số liệu với những số liệu nghi ngờ. 2.3.4. Ph−ơng pháp gia công số liệu thực nghiệm [7] Trong nghiên cứu thực nghiệm máy, các kết quả đo đạc th−ờng là các đại l−ợng ngẫu nhiên, xác suất tin cậy th−ờng dùng trong khoảng 0,7ữ 0,9. Xác suất tin cậy của dụng cụ đo trong khoảng 0,95ữ 0,99. Vì vậy để đảm bảo độ tin cậy, các thí nghiệm cần lặp lại ít nhất 3 lần. Để gia công số liệu ta dùng các qui tắc của lý thuyết xác suất và thống kê toán học. Sau khi thí nghiệm, xác định độ tin cậy về ảnh h−ởng của mỗi yếu tố tới các thông số mục tiêu và tính thuần nhất của ph−ơng sai trong quá trình thí nghiệm để chứng tỏ thực sự các ảnh h−ởng khác đối với thông số nghiên cứu là không đáng kể hoặc không có. Thuật toán của phân tích ph−ơng sai nh− sau: - Để xác định độ tin cậy cần phải tính ph−ơng sai yếu tố và ph−ơng sai thí nghiệm. - Ph−ơng sai yếu tố là tổng bình ph−ơng sai lệch ở từng thí nghiệm giữa giá trị trung bình của tổng thể Y .. của các hàm mục tiêu với giá trị trung bình của hàm đó ứng với mỗi mức của từng yếu tố xi (ký hiệu Y.j) Ph−ơng sai yếu tố đ−ợc xác định theo công thức: 1 ..)( 1 . 2 − − = ∑ = k YY S k j j yt (2-5) k-1 là bậc tự do Ph−ơng sai thí nghiệm là tổng bình ph−ơng các sai lệch giữa các giá trị trung bình Y.j ứng với mỗi mức của yếu tố xi với giá trị Yij ứng với mỗi lần đo lặp lại với mỗi mức của yếu tố. Ph−ơng sai thí nghiệm đ−ợc xác định công thức: kN YY S n i k j jij tn − − = ∑∑ = =1 2 1 . 2 )( (2-6) N-k là bậc tự do. Dùng tiêu chuẩn Fisher để đánh giá tỷ số: 2 2 tn yt S S F = (2-7) Đối chiếu với trị số Fb 21,, ffα tra bảng, với α =0,05; f1=k-1; f2=N-k. Nếu F> Fb 21,, ffα thì yếu tố đó có ảnh h−ởng đến thông số mục tiêu và không ảnh h−ởng trong tr−ờng hợp ng−ợc lại. Để đánh giá tính thuần nhất của ph−ơng sai ta phải tính ph−ơng sai thí nghiệm ngẫu nhiên đối với mỗi mức biến thiên của yếu tố xi (ký hiệu S 2 j ) 1 )( 1 2 . 2 − − = ∑ = n YY S n i jij j đ (2-8) Dùng tiêu chuẩn Coocren để ánh giá tỷ số: ∑ = = k j j j S S G 1 2 2 max (2-9) Với S2jmax là ph−ơng sai cực đại trong các ph−ơng sai S2j Đối chiếu với trị số G2 21,, ffα với α =0,05; f1=n-1; f2=k. Nếu G<G2 21,, ffα các ph−ơng sai đ−ợc coi là đồng nhất, không có ph−ơng sai nào v−ợt nhiều so với ph−ơng sai khác. Kết quả đo đạc đảm bảo độ tin cậy. Các số liệu đo đạc thực nghiệm đều đ−ợc gia công theo ph−ơng pháp trên. Ch−ơng 3 Cơ sở lý thuyết tính toán qu átrình sấy thăng hoa 3.1. Bản chất của quá trình sấy thăng hoa 3.1.1. Các khái niệm cơ bản Hiện nay trong công nghiệp thực phẩm, y học, công nghiệp d−ợc cũng nh− công nghiệp hoá học nói chung, hệ thống sấy thăng hoa đ−ợc sử dụng khá phổ biến. Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi vật liệu sấy trực tiếp từ trạng thái rắn sang trạng thái hơi nhờ quá trình thăng hoa. Nh− vậy để tạo ra quá trình thăng hoa, vật liệu sấy phải đ−ợc làm lạnh xuống d−ới điểm kết đông, với n−ớc nhiệt độ và áp suất của điểm ba thể (điểm O) là: to = 0oC và p = 4,58 mmHg (Hình 3-1) đồng thời tiến hành hút chân không. Sau đó nâng nhiệt độ sản phẩm lên ở điều kiện đẳng áp thực hiện quá trình thăng hoa ẩm [2]. Hình 3-1. Đồ thị pha p - t n−ớc Trên đồ thị hình 3-1 đ−ờng OB biểu diễn ranh giới giữa pha rắn và pha hơi, OA là ranh giới giữa pha rắn và pha lỏng, OK là ranh giới gữa pha lỏng và pha khí. Điểm O là điểm ba thể là ranh giới chung của cả 3 pha rắn, lỏng và khí. Giả sử ẩm trong vật liệu sấy có trạng thái đóng băng ở điểm F (t−ơng ứng với nhiệt độ tf), đ−ợc đốt nóng đẳng áp đến nhiệt độ tD t−ơng ứng với điểm D thì n−ớc ở thể rắn sẽ thực hiện quá trình thăng hoa DE. Ta thấy rằng áp suất E t (Co) P (mmHg) càng thấp thì nhiệt độ thăng hoa của đá càng nhỏ. Do đó khi cấp nhiệt cho vật liệu sấy ở áp suất càng thấp thì độ chênh nhiệt độ t0 giữa nguồn nhiệt và vật sấy càng tăng, điều này có lợi cho quá trình truyền nhiệt (bảng 3-1). Bảng 3-1. Quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ thăng hoa của n−ớc đá áp suất Nhiệt độ mmHg Pa oC 4,580 610,666 0 4,600 613,333 0,0098 1,000 133,333 -17,500 0,100 13,3330 -39,300 0,001 0,13300 - 57,600 Trong một số thực phẩm dạng lỏng (ví dụ nh− n−ớc ép hoa quả và chiết suất cà phê) sự hình thành trạng thái trong nh− thuỷ tinh trong đông lạnh là nguyên nhân làm hơi ẩm di chuyển khó. Các chất lỏng vì thế đ−ợc lạnh đông khi có bọt (hơi thoát ra khi sấy thăng hoa tạo khoảng trống) hay dịch lỏng đ−ợc làm khô cùng với phần thịt. Cả hai ph−ơng pháp trên đều nhằm tạo rãnh xuyên qua thực phẩm để hơi n−ớc thoát ra. Ph−ơng pháp thứ ba là lạnh đông dịch sau đó đ−ợc nghiền tạo ra những hạt nhỏ, làm cho quá trình khô nhanh hơn và cho phép kiểm soát tốt hơn kích th−ớc các mảnh nhỏ của thực phẩm. Tốc độ làm khô phụ thuộc phần lớn vào trở nhiệt của thực phẩm khi truyền nhiệt và các khoảng trống cản trở hơi ẩm bay ra (truyền chất) từ bề mặt thăng hoa [21]. 3.1.2. Các giai đoạn của quá trình sấy thăng hoa Quá trình sấy thăng hoa có thể chia ra 3 giai đoạn: a) Giai đoạn lạnh đông Có hai cách để làm lạnh đông vật tr−ớc khi tiến hành sấy đó là: lạnh đông vật trực tiếp trong bình thăng hoa sau đó tiến hành sấy ngay và làm lạnh đông vật sấy ở máy lạnh đông th−ờng sau đó mới đ−a vào bình thăng hoa. Đối với làm lạnh đông trực tiếp trong bình thăng hoa: đầu tiên vật sấy đ−ợc đ−a vào ở nhiệt độ môi tr−ờng. Tiếp đó ng−ời ta tiến hành hút chân không (xuống đến 4.58 mmHg t−ơng đ−ơng 610.6 Pa) trong không gian bình thăng hoa làm cho áp suất trong bình thăng hoa giảm. Do áp suất trong bình thăng hoa giảm, cho nên phân áp suất hơi n−ớc trong bình thăng hoa cũng giảm so với phân áp suất hơi n−ớc trong vật liệu sấy. Khi độ chênh lệch phân áp suất đủ lớn thì một l−ợng ẩm liên kết yếu đã thu nhiệt để biến thành hơi bay vào không gian bình thăng hoa. Chính điều đó đã làm cho nhiệt độ của vật giảm dần xuống đến nhiệt độ thăng hoa (khoảng-10oC,-20oC tuỳ thuộc loại vật liệu) và vật sấy đ−ợc kết đông. Nh− vậy, kết thúc giai đoạn này nhiệt độ của vật và áp suất trong bình thăng hoa đều nhỏ hơn nhiệt độ và áp suất của điểm ba thể (điểm O). Theo số liệu thực nghiệm thì có khoảng 10,15% toàn bộ ẩm thoát ra khỏi vật trong giai đoạn này [22]. Làm lạnh đông vật sấy trong máy lạnh th−ờng, sẽ tiết kiệm thời gian hơn do có thể tiến hành xen kẽ giữa làm lạnh và sấy sản phẩm, mặt khác thiết bị sẽ đơn giản hơn, vận hành không phức tạp. Ph−ơng pháp này phù hợp với các cơ sở chế biến lớn, đòi hỏi vốn đầu t− cao hơn. b) Giai đoạn thăng hoa Trong giai đoạn này, do đ−ợc cấp nhiệt nên băng đá trong vật đã đ−ợc kết đông thăng hoa rất mãnh liệt. Độ ẩm của vật liệu sấy giảm rất nhanh gần nh− tuyến tính. Nh− vậy giai đoạn này có thể xem nh− giai đoạn sấy không đổi. Phần lớn trong giai đoạn thăng hoa nhiệt độ hầu nh− không đổi. Cho đến cuối giai đoạn này, nhiệt độ của vật liệu sấy mới tăng dần từ nhiệt độ thăng hoa lên đến 0oC, và còn lại khoảng 10% n−ớc trong sản phẩm. N−ớc này không đóng băng đ−ợc mặc dù đã hạ nhiệt độ xuống đến -20oC. L−ợng n−ớc này sẽ đ−ợc sấy khô ở giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại. Giai đoạn thăng hoa kết thúc. c) Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại Sau giai đoạn thăng hoa, do trạng thái của n−ớc trong vật sấy nằm trên điểm ba thể nên ẩm trong vật sấy trở về dạng lỏng. Do áp suất trong bình thăng hoa vẫn đ−ợc duy trì nhờ bơm chân không và vật liệu sấy vẫn tiếp tục đ−ợc gia nhiệt nên ẩm vẫn không ngừng biến từ dạng lỏng lên dạng hơi và bay vào không gian bình thăng hoa cho đến khi đạt độ ẩm yêu cầu (khoảng 12%). Tuỳ từng loại vật liệu sấy có mẫn cảm với nhiệt hay không mà nhiệt độ có thể nâng lên đến 40oC,60oC, đến đây kết thúc quá trình sấy [15]. 3.2. cơ sở lý thuyết tính toán quá trình lạnh đông Lạnh đông là hạ nhiệt độ xuống d−ới điểm đóng băng của dịch bào, nh−ng không có nghĩa là toàn bộ n−ớc trong thực phẩm đã đóng băng. Tuỳ theo mức độ lạnh đông và loại sản phẩm mà l−ợng n−ớc đóng băng đạt đ−ợc trên 80%. 3.2.1. Các ph−ơng pháp lạnh đông thực phẩm [23] Các ph−ơng pháp lạnh đông hiện nay rất đa dạng và phong phú. Dựa theo quá trình làm lạnh đông mà có thể chia thành 3 loại nh− sau: Ph−ơng pháp lạnh đông chậm Đ−ợc tiến hành trong môi tr−ờng có nhiệt độ không khí khoảng -25oC, tốc độ đối l−u không khí khoảng 1m/s, thời gian kết đông từ 15,20h, tốc độ kết đông đạt từ 0,1,0,5cm/h. Do thời gian kết đông chậm, tinh thể đá kết tinh trong gian bào tế bào với số l−ợng ít, có kích th−ớc lớn, dễ gây cọ sát làm rách vỡ màng tế bào, phá huỷ cấu trúc mô tế bào. Khi làm tan băng, dịch bào dễ bị chảy mất làm giảm giá trị dinh d−ỡng và dễ nhiễm khuẩn. Hiện nay, th−ờng ứng dụng trong kết đông rau quả cần ép n−ớc. Do kết đông chậm làm rách màng tế bào nên giảm công ép. Ph−ơng pháp lạnh đông nhanh Có thể kết đông nhanh trong môi tr−ờng không khí hoặc chất tải lạnh lỏng. Thời gian kết đông nhanh hơn từ 2,10h tuỳ thuộc từng loại sản phẩm, tốc độ kết đông đạt khoảng 0,5,5cm/h. Kết đông trong phòng hoặc tunel yêu cầu nhiệt độ không khí đạt khoảng -35oC, tốc độ l−u thông khoảng 3,5m/s. Hiện nay, nhiều tủ kết đông để làm lạnh đông nhanh rau quả và hải sản áp dụng làm lạnh đông dạng panen với tkk ≤ - 40oC, thời gian lạnh đông chỉ khoảng 4,5h. Kết đông nhanh làm cho các tinh thể đá hình thành nhiều hơn và mịn hơn, không làm rách và phá huỷ cấu trúc màng tế bào. Do đó chất l−ợng sản phẩm đ−ợc giữ lại tốt hơn. Ph−ơng pháp lạnh đông cực nhanh Ph−ơng pháp này th−ờng đ−ợc thực hiện bằng cách nhúng sản phẩm vào trong CO2 lỏng, nitơ lỏng hoặc các khí hoá lỏng khác. Thời gian kết đông khoảng 5,10 phút, tốc độ kết đông có thể đạt tới 300,600cm/h. Sản phẩm lạnh đông cực nhanh cho phép giữ đ−ợc gần nh− nguyên vẹn phẩm chất t−ơi sống nh− ban đầu. Đồng thời còn có tác dụng hạn chế và tiêu diệt đ−ợc nhiều vi sinh vật hơn các ph−ơng pháp khác [24]. Hiện nay, đối với sản phẩm rau quả ng−ời ta còn làm lạnh đông bằng cách hút chân không. Cơ sở của ph−ơng pháp này là dựa vào sự thu nhiệt khi n−ớc bay hơi d−ới áp suất chân không lớn, khi đó vật sẽ đ−ợc làm lạnh. Th−ờng đ−ợc ứng dụng trong giai đoạn lạnh đông sản phẩm khi sấy thăng hoa. 3.2.2. Diễn biến quá trình lạnh đông Trong quá trình lạnh đông, nhiệt l−ợng đ−ợc chuyển đi để hạ thấp nhiệt độ của thực phẩm xuống tới điểm lạnh đông. Đối với thực phẩm t−ơi, nhiệt tạo ra trong quá trình hô hấp cũng đ−ợc chuyển đi. Công việc này đ−ợc gọi là tải nhiệt, và rất quan trọng trong việc quyết định đến kích cỡ của trang thiết bị lạnh đông. Dễ nhận thấy nhiệt ẩn đ−ợc chuyển đi và những tinh thể đá đ−ợc hình thành. L−ợng nhiệt ẩn của các thành phần khác của thực phẩm (ví dụ nh− mỡ động vật) cũng phải đ−ợc khử đi tr−ớc khi chúng trở nên đông đặc. Tuy nhiên, hầu hết thực phẩm chứa đựng một phần lớn trong đó là n−ớc (Bảng3-2). N−ớc có nhiệt dung riêng cao (4200J.kg-1.oK-1) và l−ợng nhiệt ẩn trong hỗn hợp (335kJkg-1). Do đó cần một năng l−ợng đáng kể để làm đông thực phẩm. Tổng số đá đ−ợc hình thành còn phụ thuộc loại, cấu tạo của thực phẩm và nhiệt độ bảo quản (ví dụ nh− bảo quản ở nhiệt độ -20oC thì tỷ lệ đóng băng theo phần trăm là 88% đối với cừu non, 91% với cá, 93% với lòng trắng trứng). Bảng 3-2. L−ợng n−ớc và điểm kết đông của một số thực phẩm Thực phẩm L−ợng n−ớc (%) Điểm đông lạnh (oC) Rau xanh 78,92 - 0.8 ,- 2.8 Hoa quả 87,95 - 0.9,- 2.7 Thịt 55,70 - 1.7 ,- 2.2 Cá 65,81 - 0.6,- 2.0 Sữa 87 - 0.5 Hình 3-2. Quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ trong quá trình lạnh đông Đ−ờng cong đặc tính đ−ợc phân thành 6 phần nh− sau: AS - Thực phẩm đ−ợc làm lạnh xuống d−ới nhiệt độ điểm đông lạnh của nó (loại trừ n−ớc tinh khiết), th−ờng là d−ới 0oC (Bảng3-2). Tại điểm S, n−ớc vẫn ở trạng thái lỏng mặc dù nhiệt độ đã ở d−ới điểm đông lạnh. Hiện t−ợng này đ−ợc hiểu là sự làm chậm đông và có thể d−ới điểm đông lạnh tới 10oC. SB - Nhiệt độ tăng lên nhanh chóng tới điểm đông lạnh khi những tinh thể đá bắt đầu hình thành và nhiệt ẩn của sự kết tinh đ−ợc giải phóng. BC- Nhiệt đ−ợc di chuyển từ thực phẩm ở cùng tốc độ tr−ớc đó. Nhiệt ẩn bị khử và đá hình thành, nh−ng nhiệt độ duy trì hầu nh− không đổi. Điểm đóng băng đ−ợc đẩy xuống do độ đậm đặc của chất tan trong dịch lỏng không đông tăng lên, và nhiệt độ vì thế giảm xuống một cách từ từ. ở khâu này, phần lớn đá đ−ợc hình thành (Hình 3-2). CD - Một trong những chất tan trở nên bão hoà và kết tinh ngoài. Nhiệt ẩn của kết tinh đ−ợc giải phóng và nhiệt độ tăng đến điểm nhiệt độ eutetic đối với chất tan. DE - Sự kết tinh của n−ớc và chất tan vẫn tiếp tục. Tổng thời gian tf (lạnh ổn định) đ−ợc xác định bởi tốc độ truyền nhiệt. EF - Nhiệt độ của hỗn hợp n−ớc-đá giảm xuống bằng nhiệt của thiết bị lạnh. Một phần n−ớc không bị đóng băng khi sử dụng nhiệt độ nh− trong lạnh đông th−ơng mại. 3.2.3. Sự hình thành tinh thể đá trong quá trình lạnh đông thực phẩm [18] Điểm đông lạnh của thực phẩm là mức nhiệt độ tại thời điểm ngay khi tinh thể đá xuất hiện trong sự cân bằng với n−ớc ở xung quanh. Tuy nhiên tr−ớc khi tinh thể đá có thể hình thành, một hạt nhân của tinh thể n−ớc phải xuất hiện. Có hai loại hạt nhân đó là: hạt nhân thuần nhất (đ−ợc hình thành do khả năng định h−ớng và kết hợp của phân tử n−ớc) và hạt nhân không thuần nhất (đ−ợc hình thành bởi các phân tử tồn tại d−ới dạng huyền phù hay ở các vách tế bào). Hạt nhân không đồng nhất d−ờng nh− xuất hiện trong thực phẩm nhiều hơn và diễn ra trong suốt quá trình làm chậm đông (Hình 3-3a). Độ dài của giai đoạn làm đông chậm phụ thuộc vào loại thực phẩm và tốc độ nhiệt đ−ợc di chuyển. Tốc độ truyền nhiệt cao tạo ra số l−ợng hạt nhân lớn. Những phân tử n−ớc di chuyển tới chỗ những hạt nhân xuất hiện trong lúc −u tiên hình thành hạt nhân mới. Lạnh đông nhanh vì thế sinh ra một số l−ợng lớn những tinh thể đá nhỏ. Tuy nhiên, nhiều điểm khác nhau về kích th−ớc tinh thể đá có thể thấy đ−ợc trong những loại thực phẩm khác nhau và thậm chí ngay cả ở trong những loại thực phẩm t−ơng tự nhau nh−ng do đ−ợc xử lý khác nhau tr−ớc khi lạnh đông. Tốc độ chuyển chất (sự di chuyển của phân tử n−ớc đến để hình thành tinh thể và sự di chuyển của các chất tan rời xa tinh thể) không thể kiểm soát tốc độ phát triển tinh thể và bị kìm hãm về cuối giai đoạn lạnh đông khi những chất tan trở nên đậm đặc hơn. Thời gian để nhiệt của thực phẩm v−ợt qua vùng giới hạn là cần thiết vì nó quyết định cả số l−ợng và kích cỡ của các tinh thể đá (Hình 3-3b). (a) Sự hình thành tinh thể đá ở các mức nhiệt độ khác nhau (b) Sự thay đổi nhiệt độ của thực phẩm lạnh đông qua vùng giới hạn. ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ +⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ +−= 2 2 1 .24 1 6 . k L k x h Lt af f θθ ρλ (3.1) Hình 3-3. Lạnh đông (Theo Leniger và Beverloo, 1975) 3.2.4. Tính toán thời gian lạnh đông Rất khó có thể định rõ thời gian đông lạnh một cách chính xác, nh−ng có hai khái niệm đ−ợc đề cập đó là: thời gian đông lạnh hiệu quả là thời gian đòi hỏi hạ thấp nhiệt độ của thực phẩm từ giá trị đầu đến nhiệt._. − −−−=∆ ob oh oboh tt tt ttttt ln 22 2 1 1 1 11 1 αλ δ λ δ α +++ =k W/m2.oK chất lạnh (NH3) là truyền nhiệt qua ống trụ nh−ng do ống rất mỏng (δ = 3mm) và chiều dày lớp ng−ng tụ cũng rất nhỏ (6 ữ 8mm). Nên trong quá trình tính toán bình ng−ng chúng ta xem đây là bài toán truyền nhiệt qua vách phẳng. - Xác định độ chênh nhiệt độ trung bình ∆t: Để xác định ∆t ta dựa vào công thức thực nghiệm sau: Trong đó: th: nhiệt độ trung bình của hỗn hợp hơi ( oC), tb: nhiệt độ trong bình ng−ng (oC), to: nhiệt độ bay hơi của môi chất ( oC). Thay số ta đ−ợc: - Xác định hệ số truyền nhiệt k: α1: hệ số trao đổi nhiệt khi sôi của amoniac (W/m2.oK), α2: hệ số trao đổi nhiệt khi ng−ng của hỗn hợp hơi n−ớc (W/m2.oK), δ1, δ2: chiều dày của vách ống và lớp ng−ng tụ (m), λ1, λ2: hệ số dẫn nhiệt của vách ống và lớp ng−ng tụ (W/m.oK). Nh− vậy để tính đ−ợc k ta phải xác định α1 và α2 - Xác định α1: α1 đ−ợc xác định theo công thức thực nghiệm sau: ( )[ ] ( )[ ] ( ) ( ) 91,18 2212 2210ln 22122210 = ⎥⎦ ⎤⎢⎣ ⎡ −−− −− −−−−−−=∆t (độ) ( )4 3 2 ....943,0 htt rg ws − = ν λρα α1 = 4,395.(1 + 0,007.tw).q0,7 (W/m2.oK) tw: nhiệt độ vách ( oC) q: mật độ dòng nhiệt (W/m2) Nh− vậy để tính đ−ợc α1 ta phải chọn tr−ớc nhiệt độ vách (tw) và mật độ dòng nhiệt q. Sau khi tính đ−ợc bề mặt truyền nhiệt ta sẽ kiểm tra lại giá trị của q và tw và tính lại F. Nếu sự sai khác về diện tích trao đổi nhiệt F không quá 5% thì coi nh− đ−ợc công nhận. Chọn sơ bộ nhiệt độ vách tw = -20 oC và q = 1500W/m2, Ta có: α1 = 4,395.[1 + 0,007.(-20)].15000,7 = 632,00 (W/m2.oK) - Xác định α2: Đ−ợc xác định theo công thức của Plank nh− sau: ν: độ nhớt động học của n−ớc (m2/s), ρ: khồi l−ợng riêng của n−ớc (kg/m3), λ: hệ số dẫn nhiệt của hơi n−ớc (W/moK), r: nhiệt ẩn hoá hơi của n−ớc (kJ/kg), g: gia tốc trọng tr−ờng (m2/s), ts: nhiệt độ bão hoà của hơi ( oC), tw: nhiệt độ của vách ( oC), h: chiều cao của ống (m). ở đây hơi n−ớc ng−ng từ dạng hơi sang dạng rắn nh−ng ta tính toán một cách gần đúng hơi n−ớc ng−ng thành lỏng ở 0oC, Tra bảng thông số vật lý của n−ớc ở t = 0oC ta có: ν = 1,789.10-6 m2/s, ρ = 1000 kg/m3, λ2 = 0,551 W/m.oK, r = 2501kJ/kg, ts = 0 oC, tw = - 20 oC, h = 1,5 m, g = 9,81m2/s; Ta có: ( )[ ] 90,27875,1.20010.789,1 551,0.2501.1000.81,9.943,0 4 6 3 2 =−−= −α (W/m 2.oK) 90,2787 1 551,0 006,0 45 003,0 632 1 1 11 1 22 2 1 1 1 +++ = +++ = αλ δ λ δ α k 96,18.53,77 4,800 . =∆= tk qF n )/(Ư33,1471 544,0 4,800 2mW F qq n === Thay α1, α2 vào công thức trên ta có thể tính đ−ợc hệ số truyền nhiệt k: Chọn vật liệu làm ống là thép có δ1 = 3.10-3 m, và λ1 = 45 W/m.oK; độ dày lớp ng−ng tụ δ2 = 6.10-3 m. Vậy hệ số truyền nhiệt: k = 77,537 (W/m2.oK) - Tính diện tích F F = 0,544 (m2) - Tính kiểm tra: Mật độ dòng nhiệt là: Vậy: q = 1471,33 (W/m2) - Xác định lại α1 với q vừa tìm đ−ợc α1kt = 623,52 (W/m2.oK), - Từ đó xác định đ−ợc Fkt = 0,545 (m2) Ta thấy diện tích kiểm tra lại Fkt sai khác diện tích F là rất nhỏ, do đó hoàn toàn có thể chấp nhận kết quả F = 0,54 (m2). Vậy diện tích trao đổi nhiệt của thiết bị ng−ng là: F = 0,54 (m2). Sự ng−ng tụ-khử ẩm trong bình ng−ng một mặt làm cho bơm chân không hoạt động nhẹ nhàng hơn, và giảm chi phí điện năng. Tuy nhiên sự ng−ng này cũng làm cho hiệu quả trao đổi nhiệt của thiết bị giảm đi do lớp ng−ng tụ cản trở quá trình truyền nhiệt. Để cải thiện khả năng làm việc của bình ng−ng ng−ời ta th−ờng dùng nhiều bình luân phiên [20]. 4.2.3. Tính toán máy lạnh [11, 17] Máy lạnh có vai trò quyết định cơ bản cho tính chất và năng suất của một thiết bị sấy thăng hoa. ở đây phụ tải duy nhất của máy lạnh chính là bình ng−ng bởi vậy mà ta cần tính toán lựa chọn các thiết bị của máy lạnh theo nhiệt độ ng−ng hơi ẩm. Với Qo là năng suất của máy nén. Qo = qn = 800,4 (W) = 0,8 (kW) Chế độ làm việc của một hệ thống lạnh đ−ợc đặc tr−ng bởi bốn nhiệt độ sau: - Nhiệt độ sôi của môi chất lạnh to, - Nhiệt độ ng−ng tụ của môi chất tk, - Nhiệt độ quá lạnh lỏng tr−ớc van tiết l−u tql, - Nhiệt độ hơi hút về máy nén (nhiệt độ quá nhiệt) tqn. Xác định 4 loại nhiệt độ trên nh− sau: Nhiệt độ sôi của môi chất ở điều kiện áp suất tiến hành: to = - 22 oC Nhiệt độ ng−ng tụ: tk = tw2 + ∆tk tw2: nhiệt độ n−ớc làm mát ra khỏi bình: tw2 = 35oC ∆tk: hiệu nhiệt độ ng−ng tụ yêu cầu (th−ờng lấy bằng 3ữ 5oC) tk = 35 + 3 = 38 oC Nhiệt độ quá lạnh: tql = tw1 + (3ữ 5)oC tw1 : nhiệt độ n−ớc làm mát vào: tw1 = 40oC tql = 40 + 3 = 43 oC Nhiệt độ quá nhiệt: tqn tqn = to + (5 ữ 15 )oC = -22 + 7 = -15 oC a) Tính chọn máy nén Để tính chọn máy nén ở đây là chu trình một cấp nén, môi chất NH3. Với 3 3 10.75,0 1055 10.4,800 −− === o o tt q Qm (kg/s) các thông số trạng thái tại các điểm nút cơ bản của chu trình đ−ợc xác định dựa vào đồ thị lgp - h và bảng hơi bão hoà của NH3 (Bảng 4.1). Các thông số cần tính toán là: - Năng suất lạnh riêng qo: qo = h1 - h4 (kJ/kg) h1: entanpi của hơi (bão hoà) khi ra khỏi thiết bị bay hơi (kJ/kg); h4: entanpi của môi chất sau khi qua van tiết l−u (kJ/kg); Bảng 4-1. Các thông số trạng thái tại các điểm nút của chu trình Điểm nút Nhiệt độ (oC) áp suất (MPa) Entanpi (kJ/kg) 1’ -22 0,17 1654 1 -15 0,17 1670 2 142 1,47 1990 3 38 1,47 599 4 -22 0,17 599 Theo bảng 4.1 ta có: h1 = 1654 (kJ/kg); h4 = 599 (kJ/kg), qo = 1654 - 599 = 1055 (kJ/kg) - Công nén riêng l l = h2 - h1 (kJ/kg) h1: entanpi của hơi vào máy nén = entanpi của hơi sau khi ra khỏi thiệt bị bay hơi (do tổn thất nhiệt trên đ−ờng ống là không đáng kể) (kJ/kg), h2: entanpi của hơi quá nhiệt khi ra khỏi máy nén (kJ/kg), Với: h1 = 1654 (kJ/kg); h2 = 1990 (kJ/kg) l = 1900 - 1654 = 336 (kJ/kg) - Năng suất khối l−ợng mtt: - Năng suất thể tích thực tế Vtt: ⎥⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ∆−−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ∆+−∆−= o oo m o kk o oo i p pp p ppC p pp 1 λ Vtt = mtt.v v: thể tích riêng của môi chất lạnh, Với môi chất NH3 tra bảng áp suất hơi bão hoà hay đồ thị lgp-h ta có: v = 0,7 m3/kg Vtt = 0,75.10 -3.0,7 = 0,525.10-3 (m3/s) - Hệ số cấp của máy nén λ Hệ số cấp của máy nén có thể xác định theo các tổn thất thành phần: λ = λc.λtl.λk.λw.λr λc: hệ số tính đến thể tích chết, λtl: hệ số kể đến tổn thất do tiết l−u, λw: tổn thất do hơi hút vào xilanh bị đốt nóng, λr: tổn thất do rò rỉ môi chất qua piston, xilanh, secmăng và van từ khoang nén về khoang hút, λk: tổn thất khác (λk th−ờng lấy bằng 1). Biểu thức trên có thể rút gọn thành: λ = λi.λa Trong đó: - λi đ−ợc xác định theo công thức thực nghiệm sau: Với: ∆po = ∆pk = 0,005 ữ 0,01 MPa m = 0,90 ữ 1,05 đối với máy nén Freon C: hệ số thể tích chết có giá trị bằng 0,03 ữ 0,05 tuỳ thuộc loại máy nén. ở đây lấy: ∆po = ∆pk = 0,008 MPa, m= 1, C = 0,04, to = -22 oC ⇒ Po = 0,17 MPa, 64,0 17,0 008,017,0 17,0 008,047,104,0 17,0 008,017,0 1 = ⎥⎥⎦ ⎤ ⎢⎢⎣ ⎡ −−⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ +−−=iλ k o a T T=λ 807,0 38273 )22(273 =+ −+== k o a T Tλ 3 3 10.01,1 516,0 10.525,0 −− === λ tt lt VV (m3/s) o k o i tbT T .+=η 785,0)22.(001,0 38273 22273 =−++ −=iη 3 3 10.321 785,0 10.252 −− === i s i N N η tk = 38 oC ⇒ Pk = 1,47 MPa. Thay số ta đ−ợc: - λa xác định theo công thức sau: To là nhiệt độ tuyệt đối sôi của môi chất ( oK), Tk là nhiệt độ tuyệt đối ng−ng của môi chất (oK). Vậy hệ số cấp: λ = λi.λa = 0,64.0,807 = 0,516 - Thể tích nén lý thuyết Vlt - Công nén đoạn nhiệt Ns Ns = mtt.l = 0,75.10 -3. 336 = 252.10-3 (kW) - Hiệu suất chỉ thị ηi b: là hệ số thực nghiệm, với máy nén amoniac b = 0,001 - Công suất chỉ thị: Ni (kW) eltd e el NN ηη .= (kW) 3 3 10.72,429 85,0.95,0 10.347 . − − === eltd e el NN ηη (kW) - Công suất ma sát: Nms = Vtt.Pms Pms: áp suất riêng phần của ma sát. + Đối với máy nén Freon thuận dòng: Pms = 0,039 ữ 0,095 MPa + Đối với máy nén Freon ng−ợc dòng: Pms = 0,019 ữ 0,034 MPa ở đây lấy Pms = 0,05 MPa = 0,05.103 kPa Nh− vậy: Nms = Vtt.Pms = 0,525.10-3.0,05.103 = 0,026 (kW) hay 26.10-3 (kW) - Công suất hữu ích: Ne Ne = Ni + Nms = 321.10 -3 + 26.10-3 = 347.10-3 (kW) - Công suất tiếp điện Nel ηtd: hiệu suất truyền động ηtd = 0,95 ηel: hiệu suất động cơ ηel = 0,80 ữ 0,95 - Nhiệt thải ra ở bình ng−ng của máy lạnh Qk Qk = Qo + Ni = 0,8 + 0,321 = 1,121 (kW) = 1,121 .10 3 (W) b) Tính toán bình ng−ng của máy lạnh ở đây môi chất là NH3, thiết bị ng−ng tụ kiểu ống trơn thẳng đứng làm mát bằng n−ớc. Với các thông số kỹ thuật nh−: - Phụ tải nhiệt Qk = 1,121 (kW), - Nhiệt độ ng−ng tụ của môi chất: tk = 38oC, - Nhiệt độ n−ớc làm mát vào t1 = 28oC, - Nhiệt độ n−ớc làm mát ra t2 = 34oC, - Kích th−ớc đ−ờng kính ống d2/d1 = 30/26 mm, - Tốc độ n−ớc l−u thông trong ống ω = 1,5 m/s. tb k tk QF ∆= . (độ) 55,6 3438 2838lg3,2 2834 lg3,2 2 1 12 = − − −= − − −=∆ tt tt ttt k k (W/m.oK) 221 2 11 dα 1 d dln 2λ 1 dα 1 πk + = - Tính diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ng−ng tụ: Xác định diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ng−ng tụ theo ph−ơng trình truyền nhiệt sau: Qk = F.k.∆ttb ⇒ Qk: phụ tải nhiệt của thiết bị ng−ng (W) F: diện tích bề mặt trao đổi nhiệt (m2), k: hệ số trao đổi nhiệt (W/m.oK), ∆ttb: hiệu nhiệt độ trung bình logarit (độ), Xác định hiệu nhiệt độ trung bình logarit: ∆ttb, - Xác định hệ số trao đổi nhiệt k: Do đây là loại thiết bị trao đổi nhiệt kiểu ống trơn thẳng đứng, n−ớc làm mát đi từ trên xuống. Nên hệ số trao đổi nhiệt k đ−ợc tính theo công thức sau: d1,d2: là đ−ờng kính trong và ngoài của ống, d2/ d1 = 30/26 mm, λ: hệ số dẫn nhiệt của vách ống, ở đây ống làm bằng thép nên λ = 45 W/m.oK, α1: hệ số toả nhiệt của n−ớc làm mát (W/m2.oK), α2: hệ số toả nhiệt khi ng−ng của amoniac (W/m2.oK). Để tính đ−ợc hệ số trao đổi nhiệt K ta cần phải xác định hệ số toả nhiệt của n−ớc α1, và hệ số toả nhiệt khi ng−ng của amoniac α2. 1 1 1 1 11 .. d NudNu λαλ α =⇒= 25,0 1,043,033,0 Pr Pr.Pr.Re...15,0 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= w rl GrNu εε 25,0 43,08,0 Pr Pr.Pr.Re...021,0 ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= w rlNu εε 1 11.Re γ ω d= - Xác định α1: Để xác định α1 ta dựa vào tiêu chuẩn đồng dạng Nusselt: d1: đ−ờng kính trong của ống (m), λ1: hệ số dẫn nhiệt của n−ớc làm mát (W/m.oK), Nu: tiêu chuẩn Nusselt, đ−ợc xác định nh− sau: - Khi Re < 104 - Khi Re > 104 Với: εl, εr : hệ số hiệu chỉnh kể đến độ dài và đ−ờng cong của ống, khi l/d < 50 thì εl = 1, và ống trơn thẳng đứng nên εr = 1. Pr là tiêu chuẩn Prandtl, Gr là tiêu chuẩn Grashoff, Re là tiêu chuẩn Reynold, đ−ợc xác định theo công thức sau: - Nhiệt độ trung bình của n−ớc làm mát: ttb = (t1 + t2)/2 = (34 +28)/2 = 31oC, Tra bảng thông số vật lý của n−ớc trên đ−ờng bão hoà với nhiệt độ 31oC ta có: Cp1 = 4,174 kJ/kg.độ, γ1 = 0,7904.10-6 m2/s, à1 = 786,68.10-6 N.s/m2, λ1 = 61,79.10-2 w/m.độ , ρ = 995,35 kg/m3, Pr = 5,309, Vận tốc n−ớc l−u thông trong ống: ω1 = 1,5 m/s, Chọn sơ bộ nhiệt độ vách tw = 37,5 oC, ⇒ Pr1w = 4,587 Từ đó ta có thể xác định đ−ợc tiêu chuẩn Reynold: 4 6 3 1 11 10.93,4 10.7904,0 10.26.5,1.Re === − − γ ω d 556,253 587,4 309,5.)309,5.()10.93,4.(021,0 25,0 43,08,04 =⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛=Nu 6,6043 10.26 .10.97,61.56,253 3 2 1 == − − α (W/m.oK) ( )4 32 2 . ....8736,0.2,1 htt rg wka aaa N −== à λραα ( )4 32 . ....728,0 htt rg wka aaa N −= à λρα ( )4 4 3232 2 5,1.5,373810.2,124 )10.46,45.(10.9,1107.3,582.81,9.8736,0 −= − − α Vì Re > 104 nên n−ớc chảy rối trong ống, ta có: Suy ra: Xác định α2: Theo công thức lý thuyết của Nusselt thì hệ số toả nhiệt khi ng−ng đ−ợc xác định theo công thức sau: ở đây thiết bị có dạng chùm ống thẳng đứng nên khi môi chất ng−ng bên ngoài các ống tạo ra sóng trên bề mặt làm giảm chiều dày lớp chất lỏng ng−ng, do đó khi tính phải thêm 20% so với công thức lý thuyết của Nuselt: λa: hệ số dẫn nhiệt của amoniac (W/m.oK), ρa: khối l−ợng riêng của amoniac (kg/m3), àa: độ nhớt động lực học của amoniac (N.m/s) g: gia tốc trọng tr−ờng (m2/s), h: chiều cao của ống (m), tk, tw: nhiệt độ ng−ng và nhiệt độ vách, Với nhệt độ ng−ng tk = 38oC, tra bảng thông số vật lý của amoniac ta có: λa = 45,46.10-2 W/m.oK; ρa = 582,3 kg/m3; àa = 124,2.10-4 N.m/s, ra= 1107,9kJ/kg = 1107,9.10 3 J/kg ; g = 9,81 m2/s; h = 1,5 m; tw = 37,5 oC, Thay số ta có: 33 3 3 10.30.95,2156 1 10.26 10.30ln 45.2 1 10.26.6,6043 1 14,3 −− − − ++ =k 275,1 55,6.14,134 1121 . ==∆= tb k tk QF (m2) F qtt kw −= 2,879 275,1 1121 === F Qq (W/m2) Ct ow 6,3795,2156 2,87938 =−= α2 = 2156,95 (W/m2.oK). Vậy hệ số trao đổi nhiệt: k = 134,14 (W/m.oK) - Diện tích dàn ng−ng: Tính kiểm tra nhiệt độ vách tw theo công thức sau: q: là mật độ dòng nhiệt, xác định nh− sau: Thay vào công thức trên ta tính đ−ợc tw: Ta thấy tw = 37,6 oC chênh lệch rất nhỏ so với nhiệt độ vách đã chọn sơ bộ ở trên (tw =37,5 oC) do đó không phải tính lại diện tích F. Vậy diện tích dàn ng−ng của máy lạnh là: F = 1,275 (m2). Tính chọn bơm chân không Bơm chân không có nhiệm vụ tạo áp suất chân không trong bình thăng hoa, và duy trì độ chân không trong bình thăng hoa trong suốt quá trình sấy. ở đây ta chỉ tính hai thông số cơ bản của bơm chân không là: - Năng suất hút của bơm: Qb - áp suất giới hạn của bơm cần tạo ra: Pb - Năng suất của bơm: Trong quá trình làm việc, bơm chân không không ngừng hút khí ở bình thăng hoa, đồng thời hơi ẩm thoát ra từ vật liệu sấy cũng không ngừng bổ xung l−ợng khí. Vì vậy, khi áp suất trong bình thăng hoa đạt đến áp suất giới hạn P (áp suất làm việc) thì l−u l−ợng khí do bơm chân không hút đi (Q) đúng bằng l−u l−ợng khí bổ xung (V). Nh− vậy năng suất của bơm chân không đ−ợc xác định nh− sau: Q = V =W.ν” (m3/h) Với: W là l−ợng hơi ẩm thoát ra từ vật liệu sấy trong một giờ (kg/h) ν” là thể tích riêng của hơi ẩm (m3/kg) Ta có: W = 1,01 kg/h, Tra bảng n−ớc và hơi n−ớc bão hoà theo nhiệt độ (ttb = 10oC) có ν” = 106,42 (m3/kg). Thay số vào công thức trên ta đ−ợc: Qb = V =W.ν” = 1,01.106,42 = 107,48 (m3/h) = 29,85.10-3 (m3/s) Theo kinh nghiệm thực tế có thể kể đến l−ợng không khí rò rỉ từ bên ngoài vào thì năng suất thực của bơm cần tăng lên khoảng 30 ữ 35%. Do đó năng suất thực tế của bơm là: Qb = 1,35.Q = 1,35.29,85.10 -3 = 40,29.10-3 (m3/s) - áp suất giới hạn của bơm: Do có tổn thất ma sát trên đ−ờng ống dẫn khí và tổn thất cục bộ ở van, bình ng−ng và chỗ l−ợn của đ−ờng ống, nên áp suất trong bình thăng hoa P lớn hơn áp suất ở cửa hút vào Po của bơm chân không. Tức là độ chân không trong bình thăng hoa nhỏ hơn độ chân không ở cửa hút vào của bơm. Để tính áp suất giới hạn của bơm ta cần tính tổng tổn thất áp suất của hệ thống ∆P. Ta có: Pb = P + ∆P Với: P là áp suất làm việc của bình thăng hoa (mmHg) 2 .. 2ωρλ d lhms = 25,0Re 316,0=λ 237,0Re 221,00032,0 +=λ 42,106 1 " 1 == νρ υ ω d.Re = 4 6 3 10.59,78 10.306,1 10.50.53,20.Re === − − υ ω d 012,0 )10.59,78( 221,00032,0 237,04 =+=λ ∆P là tổng tổn thất áp suất (mmHg) ∆P = hms + hcb hms: là tổn thất do ma sát trên đ−ờng ống. hcb: là tổn thất cục bộ, - Tính tổn thất do ma sát trên đ−ờng ống hms: λ : hệ số trở kháng của ống l: chiều dài ống (m), ρ: mật độ của dòng hơi (kg/m3), ω: tốc độ chuyển động của hơi (m/s), d: đ−ờng kính ống dẫn (m). Hệ số trở kháng của ống đ−ợc xác định nh− sau: Khi Re < 104 Khi Re > 104 Với : Trong đó: ν là độ nhớt động học của hơi n−ớc, tra bảng tính chất vật lý của n−ớc trên đ−ờng bão hoà theo nhiệt độ (ttb = 10oC) ta đ−ợc: ν = 1,306.10-6 m2/s, Vậy Vì Re > 104 nên: - Khối l−ợng riêng của hơi là: 23 3 2 )10.50.(14,3 10.29,40.4 . .4 − − =Π= d Qω 2 )53,20.(10.4,9. 10.50 10.012,0 2 .. 23 3 2 − −== ωρλ d lhms 2 . 2ωρς=cbh ρ = 0,0094 kg/m3 = 9,4.10-3 kg/m3, - Tốc độ chuyển động của dòng hơi: ω = Q/F (m/s) Q: là năng suất của bơm (m3/s), F : tiết diện của ống (m2), F = π.d2/4 Ta có: ω = 20,53 (m/s) - Chọn ống dẫn có: d = 50mm = 50.10-3 m, l = 10 m. Vậy tổn thất do ma sát trên đ−ờng ống hms hms = 9,5 (Pa) = 0,071 (mmHg) - Tổn thất cục bộ trên đ−ờng ống: hcb Có thể xác định bằng công thức sau: Trong đó: ζ- là hệ số trở kháng cục bộ, Do tổn thất cục bộ (hcb) là rất nhỏ so với tổn thất ma sát trên đ−ờng ống nên có thể bỏ qua. Vậy tổng tổn thất: ∆P = hms = 0,071 mmHg - áp suất giới hạn của bơm: Pb Với áp suất làm việc của bình thăng hoa cần duy trì là: 2,5 mmHg, ta có: Pb = P - ∆P = 2,5 - 0,071 = 2,429 (mmHg) Nh− vậy ta chỉ cần chọn bơm có: + Năng suất: Qb = 40,29.10 -3 (m3/s), + áp suất giới hạn: Pb = 2,429 (mmHg). STT Đặc tính kỹ thuật Đơn vị Giá trị 1. Bình thăng hoa Diện tích trao đổi nhiệt m2 2,71 2. Bình ng−ng Diện tích trao đổi nhiệt m2 0,54 3. Dàn ng−ng máy lạnh Diện tích trao đổi nhiệt m2 1,275 4. Máy nén Công suất tiếp điện kW 429,72.10-3 5. Bơm Năng suất bơm m3/s 40,29.10-3 Do điều kiện kinh phí có hạn nên chúng tôi đã tiến hành chế tạo mô hình thiết bị sấy thăng hoa đơn giản nhằm phục vụ cho công tác nghiên cứu. Mô hình thiết bị sấy thăng hoa (ký hiệu ST-10) đ−ợc thể hiện trên hình 4.1 ch−ơng 5 Kết quả nghiên cứu trên mô hình thiết bị sấy thí nghiệm 5.1. vật liệu và dụng cụ thí nghiệm - Vật liệu thí nghiệm: măng tre Bát Độ (trồng ở tỉnh Yên Bái) bổ dọc thành từng miếng có độ dày tuỳ theo yêu cầu của từng mẻ sấy thí nghiệm. Độ ẩm ban đầu: ω1 = 68%, Độ ẩm sau khi sấy ω2 = 12%, Khối l−ợng mỗi mẻ sấy: G = 10kg. - Dụng cụ thí nghiệm: 2 nhiệt kế điện tử hiện số, trong đó một nhiệt kế dùng để đo nhiệt độ nhiệt độ vật liệu sấy có thang đo: -40 ữ +50oC, một nhiệt kế dùng để đo nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ có thang đo từ 0 ữ100oC và 1 ẩm kế điện tử hiện số với đầu cảm biến có thể cắm sâu vào vật liệu để đo độ ẩm của vật liệu sấy. 5.2. kết quả nghiên cứu thực nghiệm Đã tiến hành nghiên cứu thực nghiệm xác định xác định ảnh h−ởng của 4 thông số nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy Tl ( oC), áp suất chân không trong bình thăng hoa P(mmHg), chiều dày vật liệu sấy S (mm), nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ Tb. Trong tất cả các thí nghiệm đều bố trí số lần lặp lại thí nghiệm là 3, mức biến thiên là 5. Kết quả thí nghiệm đã xác định đ−ợc: 5.2.1. Mối quan hệ của nhiệt độ và độ ẩm vật liệu đến thời gian sấy Qua đồ thị có thể thấy rất rõ toàn bộ quá trình sấy đ−ợc chia ra làm 3 giai đoạn. Giai đoạn làm lạnh: trong giai đoạn này vật liệu sấy đ−ợc làm lạnh từ nhiệt độ môi tr−ờng khoảng 25oC xuống nhiệt độ -10ữ -15oC. Trên hình 5-1 nhiệt độ vật liệu sấy biểu diễn bởi đ−ờng 1. Đồng thời trong giai đoạn này không gian của bình thăng hoa đ−ợc hút chân không và áp suất trong bình 100 độ ẩm vật liệu sấy nhiệt độ vật liệu sấy τ (h) 87654321 10 20 30 40 50 60 70 80 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25 90 1 2 1τ 2τ 3τ ω (%) τ (oC) giảm. Do áp suất giảm nên phân áp suất hơi n−ớc trong không gian bình thăng hoa cũng giảm so với phân áp suất hơi n−ớc trong lòng vật liệu sấy. Điều đó dẫn đến hiện t−ợng thoát ẩm từ vật liệu sấy vào không gian bình thăng hoa. Nh− vậy kết thúc giai đoạn làm lạnh nhiệt độ vật liệu sấy nhỏ hơn nhiệt độ điểm ba thể. áp suất trong bình thăng hoa cũng nhỏ hơn áp suất điểm ba thể. Theo số liệu thực nghiệm có khoảng (10%ữ15%) toàn bộ ẩm thoát ra khỏi giai đoạn này. Hình 5-1. Đồ thị làm việc của bình thăng hoa khi sấy măng tre Bát độ Giai đoạn thăng hoa: trong giai đoạn này, nhờ dòng nhiệt chủ yếu là bức xạ từ các tấm bức xạ, n−ớc trong vật liệu sấy bắt đầu thăng hoa mãnh liệt. Độ ẩm của vật liệu sấy giảm rất nhanh và gần nh− tuyến tính (đ−ờng 2 trên hình 5-1). Nh− vậy, giai đoạn thăng hoa có thể xem là giai đoạn sấy tốc độ không đổi. Đ−ơng nhiên, phần lớn nhiệt l−ợng vật liệu sấy nhận đ−ợc trong giai đoạn này dùng để biến thành nhiệt ẩn thăng hoa. Do đó nhiệt độ vật liệu sấy biểu diễn bởi đ−ờng 1 trên hình 5-1 trong phần lớn giai đoạn thăng hoa hầu nh− không đổi. Cuối giai đoạn này, nhiệt độ của vật liệu sấy mới dần dần tăng từ –(10ữ15)oC lên 0oC. Đến đây quá trình thăng hoa kết thúc. τ (h) Nr (kWh/kgH2O) -10 -12 -14 -16 -18 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 Nr (kWh/kgH2O) τ (h) Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại: sau giai đoạn thăng hoa, do trạng thái của n−ớc trong vật liệu sấy nằm trên điểm ba thể nên ẩm trở về dạng lỏng. Vì khi đó áp suất trong bình thăng hoa vẫn duy trì bé hơn áp suất khí trời nhờ bơm chân không và vật liệu sấy vẫn tiếp tục đ−ợc gia nhiệt nên vẫn không ngừng biến từ dạng lỏng lên dạng hơi đi vào không gian bình thăng hoa. Nh− vậy giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại chính là quá trình sấy chân không bình th−ờng. 5.2.2. ảnh h−ởng của nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy Tl Điều kiện thí nghiệm: áp suất chân không trong bình thăng hoa P = 2mmHg, chiều dày vật liệu sấy S = 12mm, nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ Tb = 40oC. Kết quả thí nghiệm đ−ợc ghi trong bảng 5-1. Bảng5-1. Kết quả thí nghiệm xác định ảnh h−ởng của nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy Nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy Tl ( oC) Thời gian sấy τ (h) Chi phí năng l−ợng riêng Nr(kWh/kgH2O) - 10 6,82 2,34 - 12 6,15 2,18 - 14 5,51 1,96 - 16 5,02 1,65 - 18 4,65 1,41 Giá trị trung bình 5,630 1,908 Hình 5-2. Đồ thị ảnh h−ởng của nhiệt độ lạnh đông Khi nhiệt độ vật liệu sấy càng thấp và lại đ−ợc lạnh đông nhanh sẽ tạo ra các tinh thể đá càng nhỏ mịn trong vật liệu sấy, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thăng hoa ẩm, vì vậy đã rút ngắn đ−ợc thời gian sấy và giảm chi phí năng l−ợng riêng cho quá trình sấy. 5.2.3. ảnh h−ởng của áp suất chân không trong bình thăng hoa P Điều kiện thí nghiệm: nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy Tl = -12 oC, chiều dày vật liệu sấy S = 12mm, nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ Tb = 40 oC. Kết quả thí nghiệm đ−ợc ghi trong bảng 5-2. Bảng 5-2: Kết quả thí nghiệm xác định ảnh h−ởng của áp suất chân không trong bình thăng hoa áp suất chân không trong bình thăng hoa P(mmHg) Thời gian sấy τ(h) Chi phí năng l−ợng riêng Nr(kWh/kgH2O) 1,0 4,51 1,48 1,5 4,90 1,65 2,0 5,60 1,89 2,5 6,73 2,12 3,0 8,14 2,39 Giá trị trung bình 5,976 1,906 Nr (kWh/kgH2O) τ (h) 1.5 2.5 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 .7.0 7.5 8.0 8.5 1.0 2.0 3.0 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 Nr (kWh/kgH2O) τ (h) Hình 5-3. Đồ thị ảnh h−ởng của áp suất trong bình thăng hoa Nr (kWh/kgH2O Khi áp suất chân không trong bình thăng hoa giảm sẽ làm giảm độ chênh lệch giữa phân áp suất hơi n−ớc trên bề mặt vật liệu sấy và phân áp suất trong bình thăng hoa, tốc độ bay hơi ẩm ra khỏi vật liệu sấy giảm, thời gian sấy và chi phí năng l−ợng riêng cho quá trình sấy tăng lên. 5.2.4. ảnh h−ởng của chiều dày vật liệu sấy S Điều kiện thí nghiệm: nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy Tl = -12 oC, áp suất chân không trong bình thăng hoa P= 2mmHg, nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ Tb = 40oC. Kết quả thí nghiệm đ−ợc ghi trong bảng 5-3. Bảng 5-3: Kết quả thí nghiệm xác định ảnh h−ởng của chiều dày vật liệu sấy Chiều dày vật liệu sấy S(mm) Thời gian sấy τ(h) Chi phí năng l−ợng riêng Nr(kWh/kgH2O) 8 4,65 1,59 10 5,03 1,74 12 5,58 1,93 14 6,44 2,05 16 7,42 2,20 Giá trị trung bình 5,824 1,902 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.0 10 12 14 16 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 τ (h) Khi chiều dầy vật liệu sấy tăng lên thì ở vùng tâm vật liệu sấy, n−ớc thoát ra khó khăn do phải khắc phục trở lực khuyếch tán, đặc biệt là về cuối của quá trình sấy, khi lớp vật liệu khô ở ngoài dày thêm. Vì vậy, thời gian sấy th−ờng kéo dài và chi phí năng l−ợng riêng tăng. 5.2.5. ảnh h−ởng của nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ Tb Điều kiện thí nghiệm: nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy Tl = -12 oC, áp suất chân không trong bình thăng hoa P= 2mmHg và chiều dày vật liệu sấy S = 12mm. Kết quả thí nghiệm đ−ợc ghi trong bảng 5-4. Bảng 5- 4. Kết quả thí nghiệm xác định ảnh h−ởng của nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ Nhiệt độ của nguồn nhiệt bức xạ Tb( oC) Thời gian sấy τ(h) Chi phí năng l−ợng riêng Nr(kWh/kgH2O) 32 8,70 2,18 34 7,42 2,02 36 5,58 1,91 38 5,04 1,78 40 5,12 1,70 Giá trị trung bình 6,372 1,918 Khi nhiệt độ nguồn nhiệt tăng, c−ờng độ bức xạ tăng, vật liệu sấy nhanh hấp thụ đ−ợc nhiệt để bốc hơi ẩm, do vậy thời gian sấy và chi phí năng l−ợng riêng giảm. Tuy nhiên nếu tiếp tục tăng nhiệt độ nguồn nhiệt tới 42 ữ 44oC thì do nhiệt l−ợng cung cấp khá lớn dễ gây ra hiện t−ợng tan băng sớm, khả năng thăng hoa chậm lại, thời gian sấy và chi phí điện năng riêng có xu h−ớng tăng lên. Về chất l−ợng sản phẩm, theo kết quả phân tích và đánh giá cảm quan các mẫu sản phẩm sấy ở cả 4 lô thí nghiệm cho thấy sản phẩm sau khi sấy vẫn giữ đ−ợc gần nh− nguyên vẹn giá trị dinh d−ỡng, mùi vị và mầu sắc đặc tr−ng của nguyên liệu măng ban đầu. 5.0 5.5 6.0 6.5 7.0 7.5 8.0 8.5 9.0 32 34 36 38 40 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 2.1 2.2 2.3 2.4 τ (h) Nr (kWh/kgH2O) Hình 5-5. Đồ thị ảnh h−ởng của nhiệt độ nguồn bức xạ kết luận và đề nghị Kết luận 1. Sấy thăng hoa là một trong những ph−ơng pháp sấy mới đang đ−ợc nghiên cứu và áp dụng ở Việt Nam. Ph−ơng pháp này có nhiều −u điểm hơn so với các ph−ơng pháp sấy khác đó là: giữ đ−ợc gần nh− nguyên vẹn chất l−ợng dinh d−ỡng, h−ơng vị, màu sắc của sản phẩm. Ngày nay, khi mức sống của con ng−ời ngày càng đ−ợc nâng cao thì nhu cầu sử dụng những sản phẩm chất l−ợng cao tăng lên đáng kể. Do đó, việc nghiên cứu, ứng dụng và phát triển công nghệ và thiết bị chế biến nông sản nói chung và hệ thống thiết bị sấy thăng hoa nhằm nâng cao chất l−ợng, hạ giá thành sản phẩm là vấn đề có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Qua nghiên cứu và tìm hiểu, chúng tôi đã lựa chọn đ−ợc công nghệ và hệ thống thiết bị sấy thăng hoa làm việc gián đoạn. Vì hệ thống này đ−ợc xem là phù hợp với quy mô và khả năng áp dụng của các cơ sở chế biến thực phẩm trong n−ớc. 3. Đã tính toán thiết kế và chế tạo mô hình thiết bị sấy thí nghiệm. 4. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đã xác định đ−ợc ảnh h−ởng của nhiệt độ lạnh đông vật liệu sấy, áp suất chân không trong bình thăng hoa, bề dầy vật liệu sấy, nhiệt độ nguồn nhiệt bức xạ đến thời gian sấy và chi phí năng l−ợng riêng thể hiện trên các hình 5-1, hình 5-2, hình 5-3, hình 5-4, hình 5-5. 5. So sánh với các ph−ơng pháp sấy bằng không khí nóng thì sấy thăng hoa có −u điểm là giảm thời gian sấy xuống gấp 3 lần, đồng thời còn giữ đ−ợc gần nh− nguyên vẹn giá trị dinh d−ỡng, màu sắc, mùi vị của nguyên liệu đầu. Tuy nhiên mức chi phí năng l−ợng riêng cao hơn so với ph−ơng pháp sấy đối l−u khoảng 50ữ60%. Nhờ −u điểm của sấy thăng hoa nên giá trị th−ơng phẩm của sản phẩm rất cao nên ph−ơng pháp này mở ra triển vọng mới trong việc nghiên cứu thiết, kế chế tạo và ứng dụng hệ thống thiết bị sấy thăng hoa vào trong sản xuất. đề nghị - Tiếp tục nghiên cứu thực nghiệm để xác định các thông số tối −u làm cơ sở cho việc thiết kế máy. - Tiếp tục hoàn thiện về kết cấu để chế tạo máy phục vụ sản xuất. tài liệu tham khảo Tài liệu tiếng Việt 1 Trần Đức Bá, Trần Thu Hà (1998), Lạnh và chế biến nông sản thực phẩm, NXB Nông nghiệp, Hà Nội. 2 Hoàng Văn Ch−ớc (1999), Giáo trình Kỹ thuật sấy, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 3 Bùi Hải, Trần Thế Sơn (1998), Kỹ thuật nhiệt, NXB Khoa học và kỹ thuật Hà Nội. 4 Bùi Hải, D−ơng Đức Hồng, Hà Mạnh Th− (1998), Thiết bị trao đổi nhiệt, NXB Khoa học và kỹ thuật, Hà Nội. 5 Phan Hiếu Hiền, Tr−ơng Vĩnh (2003), ″Công nghệ sấy nông sản″, Hội thảo Tập huấn công nghệ sấy Asean, ngày 11-14/6/2003, TP Hồ Chí Minh. 6 Lê Công Huỳnh (1995), Ph−ơng pháp khoa học thực nghiệm, NXB Nông Nghiệp, Hà Nội. 7 trần nh− khuyên (2002), nghiên cứu thiết kế, chế tạo máy sấy hạt kiểu vít đứng, Báo cáo Tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp tr−ờng, ngày 20/12/2002, Hà Nội. 8 phạm văn lang, bạch quốc khang (1998), Cơ sở lí thuyết qui hoạch thực nghiệm và ứng dụng trong kỹ thuật Nông nghiệp, NXB Nông nghiệp Hà Nội. 9 Nguyễn Đức Lợi (2001), H−ớng dẫn thiết kế hệ thống lạnh, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 10 Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tuỳ (2001), Kỹ thuật lạnh cơ sở, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội. 11 Nguyễn Đức Lợi, Phạm Văn Tuỳ, Đinh Văn Thuận (2003), Kỹ thuật lạnh ứng dụng, Nhà xuất bản Giáo dục, Hà Nội. 12 nguyễn văn may (2002), Kỹ thuật sấy nông sản, NXB Giáo dục, Hà Nội. 13 trần quang nhạ, nguyễn hà thanh (1971), Nhiệt kỹ thuật đại c−ơng, NXB Đại học và THCN, Hà Nội. 14 Trần Văn Phú (1996), Hệ thống sấy công nghiệp và dân dụng, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 15 Trần Văn Phú, Lê Nguyên Đ−ơng (1996), Kỹ thuật sấy nông sản, NXB Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội. 16 trần văn phú (2001), Thiết kế tính toán hệ thống sấy, NXB giáo dục Hà Nội 17 Trần Văn Phú (2003), Tính toán và thiết kế hệ thống sấy, NXB Giáo dục, Hà Nội. 18 Nguyễn Xuân Ph−ơng (2004), Kỹ thuật lạnh thực phẩm, NXB Khoa học và Kỹ thuật Hà Nội. 19 Trần Minh Tâm (2002), Bảo quản và chế biến nông sản sau thu hoạch, NXB Nông nghiệp, Hà Nội. 20 Minh V−ợng (1973), Giáo trình công cụ và máy chăn nuôi, NXB Nông thôn, Hà Nội. Tài liệu tiếng Anh 21 Aruns Mujumdar (1995), Handbook of Industrial drying, By Marcel Dekker. Inc, 270 Madison Avenue, New York. 22 Gustavo V. Barbosa, V. Mercado Humberto (1996), Dehydration of food, By Chapman & Hall. 23 Lorentzen J. (1995), Freeze drying, Vol.1, Applied science, By London. 24 Fellows P. (1996), Food processing technology Principles and Practice, by Ellis Horwood. 25 Van’t Land C.M., Industrial drying equipment, Marcel Dekker Inc, New York, Basel, Hong Kong. ._.