Nghiên cứu thiết kế thiết bị sấy thóc giống sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại

pháp chế biến đơn giản với công nghệ và thiết bị ch−a phù hợp. Việc áp dụng công nghệ và thiết bị tiên tiến để chế biến hạt giống không những nâng cao chất l−ợng hạt giống mà còn giúp tăng c−ờng năng lực sản xuất, giảm tổn thất sau thu hoạch và chi phí lao động. Hàng năm, ở n−ớc ta nhu cầu về giống cho cây trồng rất lớn, khoảng 1 triệu tấn thóc giống. Theo đánh giá của ch−ơng trình giống cây trồng quốc gia, ngoài số nhập khẩu (khoảng 30 - 40 %) chất l−ợng giống của Việt Nam còn thấp, làm cho hàng hoá nông sản kém sức cạnh tranh trên thị tr−ờng khu vực và thế giới. Có nhiều nguyên nhân, trong đó công nghệ chế biến là nguyên nhân quan trọng ảnh h−ởng trực tiếp đến chất l−ợng thóc giống. Trong quy trình công nghệ chế biến hạt giống thì sấy là khâu quan trọng nhất. Sấy là một biện pháp để làm giảm độ ẩm của hạt sau khi thu hoạch đến độ ẩm an toàn phù hợp cho chế độ bảo quản ở khâu tiếp theo. Vì vậy, sấy đ−ợc coi là nền tảng cho khâu bảo quản đ−ợc tiến hành thuận lợi. Tuy nhiên, sấy phải đ−ợc tiến hành ở những chế độ phù hợp nhằm đảm bảo cho hạt giống duy trì đ−ợc chất l−ợng trong quá trình bảo quản [2]. Chất l−ợng giống không tốt sẽ gây ảnh h−ởng lớn không chỉ đến mất mát về số l−ợng hạt giống [16] mà còn đến năng suất và chất l−ợng cây trồng trong quá trình sản xuất từ hạt giống đó. Vấn đề đặt ra là cần nghiên cứu đ−a công nghệ mới vào khâu sấy để nâng cao chất l−ợng hạt giống. 2 Mặc dù kỹ thuật sấy đã phát triển từ lâu đời, song các nhà khoa học vẫn tiếp tục tìm kiếm và ứng dụng các kỹ thuật mới vào lĩnh vực sấy nông sản nói chung và sấy hạt giống nói riêng. Một trong những kỹ thuật mới đáng chú ý hiện nay trên thế giới là kỹ thuật sấy bằng công nghệ gốm bức xạ hồng ngoại. Công nghệ mới này không những có khả năng làm khô ở nhiệt độ thấp, bảo toàn các tính chất nh− màu sắc, vitamin, các khoáng chất mà còn có tác dụng diệt khuẩn, làm tăng thời gian bảo quản hơn so với các công nghệ sấy thông th−ờng. Đặc biệt, đối với hạt giống, tỷ lệ nẩy mầm và sức nẩy mầm đ−ợc cải thiện rõ rệt. ở Việt Nam, công nghệ sấy bằng gốm bức xạ hồng ngoại mới đ−ợc nghiên cứu b−ớc đầu [26] ch−a đ−ợc sử dụng rộng rãi. Vì vậy, việc "Nghiên cứu thiết kế thiết bị sấy thóc giống sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại" là rất cần thiết. Những đóng góp của luận án: - Đã lựa chọn đ−ợc công nghệ và thiết bị sấy sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại. Mẫu thiết bị có cấu tạo đơn giản phù hợp với khả năng chế tạo ở Việt Nam. - Kết quả nghiên cứu lý thuyết đã xác định đ−ợc qui luật phân bố năng l−ợng trên bề mặt vật liệu sấy dựa trên cơ sở nghiên cứu tr−ờng bức xạ hồng ngoại với bộ gia nhiệt IR dạng ống, đảm bảo năng l−ợng phân bố đồng đều trên bề mặt vật liệu sấy. Đã xác định đ−ợc năng l−ợng cần thiết chi phí cho quá trình sấy. - Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố và đa yếu tố đã xác định đ−ợc giá trị tối −u của một số thông số chính: chiều dày lớp thóc sấy, khoảng cách từ các thanh gốm hồng ngoại đến bề mặt lớp thóc sấy, khoảng cách giữa các thanh gốm. - Đã thiết kế, chế tạo và ứng dụng có hiệu quả thiết bị sấy thóc giống tại một số cơ sở sản xuất thóc giống ở các tỉnh phía Bắc. 3 Ch−ơng I. Tổng quan 1.1. Các tính chất của hạt thóc 1.1.1. Thành phần và cấu trúc chung của hạt thóc Nông sản dạng hạt bao gồm các loại ngũ cốc (lúa, ngô, cao l−ơng, đại mạnh, lúa mì) các loại họ đậu: đậu xanh, đậu t−ơng, đậu đen có thuộc tính của một cơ thể sống. Sau khi thu hoạch, ngoài quá trình chín tiếp tục (chín sau thu hoạch) trong khối hạt còn nhiều biến đổi khác có thể xảy ra làm h− hỏng hạt. Những biến đổi ấy th−ờng do sự hô hấp của hạt, tác động của enzym, vi sinh vật có hại hoặc do các phản ứng hoá học. Tuỳ theo điều kiện và ph−ơng pháp bảo quản mà các biến đổi này có thể xảy ra hoặc không, hoặc ở những mức độ khác nhau. Xét về cấu trúc thực vật, hạt có thể chia làm 3 phần chính: vỏ, phôi, nội nhũ hình 1.1. Vỏ là phần bao bọc bên ngoài, cấu tạo chủ yếu bằng xenlulo và các hemixenlulo, t−ơng đối bền vững về cơ học, gồm nhiều lớp khác nhau. Các hạt ngũ cốc nh− lúa, lúa mì, ngô, đại mạch v.v. có lớp vỏ ngoài cùng chỉ là lớp vỏ mỏng bao quanh hạt - d−ới lớp vỏ đó là lớp alơron (lớp cám) rất mỏng. Ngoài hai lớp vỏ nói trên, các hạt ngũ cốc còn có lớp vỏ trấu, lớp vỏ này rất chắc. Nhìn chung vỏ chứa một l−ợng không đáng kể chất dinh d−ỡng, chức năng chủ yếu của vỏ là bảo vệ cho hạt khỏi những tác động cơ học, hoá lý và sự xâm nhập của các vi sinh vật từ bên ngoài. Phôi là cơ quan sinh tr−ởng của hạt, có chứa các chất giàu dinh d−ỡng nh− protit, lipit, vitamin và phần lớn enzym. Phôi cấu tạo từ những tế bào mềm, là môi tr−ờng rất thích hợp cho nấm mốc, sâu mọt thâm nhập phát triển và phá hoại. Nội nhũ là phần chính của hạt, chứa các chất dinh d−ỡng dự trữ. Với hạt có dầu chất dự trữ đó là lipit, hạt họ đậu là protit, các hạt ngũ cốc là gluxit 4 (d−ới dạng amidon). Nội nhũ của hạt ngũ cốc còn đ−ợc xác định bởi 2 miền ngoài và trong khác nhau về hình dạng, cấu trúc tế bào và thành phần hoá học. Miền ngoài dạng trong, đặc nh− sừng (gọi là miền sừng) chạy vòng quanh d−ới lớp alơron. Miền trong hơi xốp, nhiều gluxit, ít protit (còn gọi là miền bột). Hạt lúa có chiều dài 5 - 12mm, chiều rộng 1,5 - 5mm. Đ−ờng kính 4,2 - 4,6 mm. Ng−ời ta phân loại hạt lúa làm 3 loại: hạt dài, hạt trung bình và hạt ngắn. Cách sắp xếp đ−ợc tính theo tỉ lệ chiều dài trên chiều rộng. Ba loại hạt ngũ cốc chính nh− lúa, ngô, lúa mì khi thu hoạch độ ẩm t−ơng đối trong khoảng 18 - 35%. Để bảo quản lâu dài, tránh h− hỏng, độ ẩm của các hạt này không đ−ợc quá 13%. Hình 1.1 Cấu tạo hạt thóc 1.1.2. Sự hô hấp, trạng thái ngủ và khả năng sống của hạt Hạt thóc là một cơ thể sống nên có sự hô hấp và ngủ, nghỉ. Theo các công trình nghiên cứu của Kretorich và Prokhorova [50], [51], [52] thì hô hấp của hạt tuỳ thuộc vào độ ẩm và nhiệt độ. C−ờng độ hô hấp của hạt tăng đạt giá 5 trị cực đại theo sự tăng ẩm ở điểm tới hạn (w = 14 - 14,5%). Khi có n−ớc tự do trong hạt, quá trình sinh hoá diễn ra trong hạt rất mạnh. Khi tăng nhiệt độ sẽ làm tăng c−ờng độ hô hấp của hạt nh−ng chỉ đến giới hạn nhiệt độ (khoảng 45 - 500C), sau đó sự sống và c−ờng độ thở của hạt sẽ giảm. Sự hô hấp của hạt sinh ra nhiệt, n−ớc và khí CO2. Chất khô của hạt bị mất đi d−ới hình thức thoát khí CO2 [33], [61], [62]. Quá trình diễn ra theo phản ứng sau: C6H12O6 + 6O2 —> 6CO2 + 6H2O + 677,2 Cal Vi khuẩn và nấm làm cho hạt giảm độ nảy mầm, có mùi hôi, giảm giá trị th−ơng phẩm của hạt. Khả năng sống của hạt giống đ−ợc xác định trong những điều kiện thuận lợi [36]. Nh−ng trong khi chế biến mà sấy ở nhiệt độ quá cao làm các enzyme trong protein giảm, làm giảm khả năng sống của hạt. Nhiệt độ an toàn tối đa tuỳ thuộc vào độ ẩm của hạt và thời gian hạt tiếp xúc với nhiệt độ đó. Bảng 1.1 trình bày ảnh h−ởng của độ ẩm tới nhiệt độ an toàn tối đa của hạt giống với thời gian tiếp xúc nhiệt là 1 giờ. Các thông số nh− nhiệt độ hạt θ, thời gian sấy Tg, độ ẩm hạt W có ảnh h−ởng lớn đối với khả năng sống của hạt. Nếu hạt có độ ẩm ban đầu cao khi tăng nhiệt độ sấy lên cao thì tỉ lệ nảy mầm sẽ giảm [74] Bảng 1.1. ảnh h−ởng của độ ẩm hạt trên nhiệt độ tối đa cho quá trình sấy hạt giống trong 1 h Độ ẩm hạt (%) Nhiệt độ hạt (0C) 18 67 26 59 30 56 Nguồn Nellít [74] 6 1.1.3. Đặc điểm của hạt giống lúa lai F1 hạt giống lúa lai F1: Khối l−ợng hạt giống lúa lai F1 th−ờng là thấp hơn lúa thuần (th−ờng), thời gian trung bình cho tất cả các giống tính từ khi bắt đầu trổ đến thu hoạch (bông lúa chín toàn bộ) là 30 - 31 ngày. Với hạt giống lúa lai thời gian này chỉ khoảng 24-25 ngày. Với đặc tính vỏ trấu của hạt giống lúa lai th−ờng không khép kín nh− lúa thuần (phải thu hoạch sớm hơn tránh bị m−a ẩm dẫn đến nảy mầm trên bông), nhiễm nấm mốc, bệnh trên hạt (mục tiêu là chất l−ợng hạt giống chứ không chạy theo năng suất hạt). Khối l−ợng hạt giống lúa lai F1 nằm trong khoảng 25-29 g/1000 hạt. Tỷ lệ lép của giống lúa lai F1 th−ờng rất cao: thấp nhất là 20%, tỷ lệ lép này tuỳ thuộc vào chất l−ợng giống bố mẹ, kỹ thuật canh tác v.v. Qua tham khảo tài liệu n−ớc ngoài và kết quả nghiên cứu thăm dò một số rau quả, hạt nh− cà phê, ngô, thóc v.v. cho thấy sấy bằng bức xạ hồng ngoại cho hiệu quả cao với nguyên liệu ở giai đoạn liên kết ẩm vật lý (d−ới 17%) và chất l−ợng sản phẩm sấy ổn định hơn. Vì vậy, tr−ớc khi đ−a vào sấy bằng bức xạ hồng ngoại, chúng tôi phải xử lý bằng cách làm khô sơ bộ: phơi, sấy và hong mát sao cho thóc có độ ẩm vào thiết bị sấy là 17% sau đó theo dõi quá trình sấy cho đến khi kết thúc quá trình độ ẩm cuối là 13%. 1.2. Chế biến thóc giống 1.2.1. Thực trạng chế biến thóc giống ở Việt Nam Hàng năm ở n−ớc ta nhu cầu hạt thóc giống là rất lớn, khoảng 1.000.000 tấn thóc giống. Hiện tại, thóc giống qua sơ chế của n−ớc ta chỉ chiếm khoảng 5% tổng l−ợng giống. Chất l−ợng hạt giống phải đảm bảo chỉ tiêu: cấp và loại độ nguyên chủng, độ sạch, độ đồng đều, tỷ lệ nảy mầm và độ ẩm bảo quản. Để đạt đ−ợc tỷ lệ hạt giống qua sơ chế là 40%, thì riêng đối với thóc giống cần phải trang bị khoảng 150 dây chuyền có năng suất 1ữ1,5 tấn/ giờ [17]. 7 1.2.2. Quy trình công nghệ chế biến thóc giống làm sạch, phân loại phơi, sấy đập Gặt bảo quản đóng gói xử lý Đối với khâu xử lý mới chỉ thực hiện cho hạt ngô, rau, đậu, hạt thóc giống hiện nay bắt đầu nghiên cứu áp dụng khâu xử lý. Trong qui trình công nghệ trên thì sấy là khâu quan trọng nhất có ảnh h−ởng lớn đến chất l−ợng hạt giống và thời gian bảo quản. Vì vậy, cần nghiên cứu đ−a công nghệ mới vào khâu sấy nhằm nâng cao chất l−ợng và thời gian bảo quản. 1.3. Các ph−ơng pháp làm khô 1.3.1. Một số khái niệm cơ bản về sấy Công việc sấy bị ảnh h−ởng mạnh mẽ bởi sự phân tán độ ẩm trong vật thể rắn. Độ ẩm trong vật thể rắn thông th−ờng không chỉ hiện diện ở bề mặt mà còn hiện diện ở những lỗ xốp bên trong vật thể rắn, hoặc ở những lỗ hổng giữa những vùng rắn của vật thể cần sấy. Hình 1.2 giới thiệu nguyên tắc l−u giữ độ ẩm ở những chỗ hoàn toàn −ớt và ở cả những lỗ hổng của chất rắn đã đ−ợc sấy khô phần nào [63]. Hình dạng, kích th−ớc và ph−ơng h−ớng của những lỗ hổng đó có sự khác nhau rất lớn giữa vật thể này với vật thể khác, dẫn đến sự khác nhau rất rõ ràng của từng cách sấy. ẩm có thể đ−ợc thể hiện d−ới dạng tự do hoặc liên kết. N−ớc liên kết g một chất ì bị giữ lạ ng mao mạ trúc trontế bào, hoà lẫn trên bề mặt củ không kết hợp rắn v trong chất rắn, a chất rắn. Độ ẩm với chất rắn và i trong nhữ hoặc thông qua sự hấ tự do là độ ẩm d− th có áp suất bốc hơi của ch, hoà lẫn trong cấu p thụ hoá học hoặc vật lý ừa của độ ẩm liên kết. Nó chất lỏng thuần tuý. Chất 8 lỏng liên kết có áp suất bốc hơi thấp hơn áp suất bốc hơi của chất lỏng thuần tuý. Vì vậy, những sản phẩm rất ẩm −ớt có áp suất bốc hơi gần với áp suất bốc hơi bão hoà. Khi hàm l−ợng ẩm thấp, sự liên kết của ẩm với chất rắn sẽ dẫn đến kết quả là áp suất bốc hơi giảm đi rõ rệt. Với một hàm l−ợng ẩm cụ thể ở khí quyển bên ngoài, hàm l−ợng ẩm của một vật thể rắn có thể chỉ bị giảm tới một giá trị cân bằng nào đó, sau đó không còn có động lực nào để chuyển tải ẩm ra khỏi vật thể rắn. a) b) Hình 1.2. Phác hoạ một vật thể rắn xốp a) Hạt với độ ẩm cao b) Hạt đã đ−ợc sấy khô Hàm l−ợng ẩm cân bằng của một vật thể rắn, đ−ợc đo bằng thực nghiệm ở một nhiệt độ nào đó, so với độ ẩm t−ơng đối của không khí, đ−ợc gọi là đ−ờng đẳng nhiệt hấp thụ của vật thể rắn đó. Đ−ờng đẳng nhiệt hấp thụ cho thấy sấy khô vật thể đó khó khăn nh− thế nào và hàm l−ợng ẩm ở mức nào thì nên ngừng, không sấy nữa. Khi độ ẩm đã xuống tới hàm l−ợng cân bằng trong điều kiện bảo quản trong kho, việc sấy thêm nữa cũng chẳng có lợi ích gì, bởi vì vật sau khi sấy sẽ bị ẩm trở lại do hút ẩm từ ẩm của không khí. Khi n−ớc kết hợp với vật thể rắn, cần có năng l−ợng để làm cho n−ớc bốc hơi. Do đó cần gia nhiệt cho sự bốc hơi để khắc phục lực hấp dẫn giữa các phân tử trong pha lỏng. N−ớc liên kết cũng cần có năng l−ợng để phá vỡ những mối liên kết giữa nó và mạng l−ới các lỗ xốp. Năng l−ợng cần gia tăng 9 này đ−ợc gọi là nhiệt để giải hấp. Trên cơ sở điều kiện nhiệt động năng l−ợng tự do của các Gibbs phân tử dành cho hai pha đang ở thế cân bằng phải bằng nhau, có mối quan hệ của áp suất bốc hơi, tức là đẳng nhiệt hấp thụ với năng l−ợng cần thiết cho sự bốc hơi. Bằng định luật về khí lý t−ởng và không tính đến khối l−ợng riêng của chất lỏng so với khối l−ợng riêng của hơi n−ớc, ta có thể đi đến ph−ơng trình Clapeyron - Clausius: sorpHRT M T ∆=⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ∂ ∂ 2 lnψ (1.1) trong đó: - Sự thấm hút nhiệt độ bề mặt (J/kg) sorpH∆ M - Khối l−ợng n−ớc (kg/mol) R - Hằng số khí thực (J/mol) T - Nhiệt độ (K) ψ - Độ ẩm t−ơng đối Nh− vậy, nếu lấy vi phân của đẳng nhiệt hấp thụ với nhiệt độ, ta có thể xác định đ−ợc nhiệt hấp thụ. Thông th−ờng, đẳng nhiệt hấp thụ đ−ợc xác định bằng các số đo mức cân bằng ở một số giới hạn các hàm l−ợng ẩm và nhiệt độ. Sau đó, những dữ liệu này đ−ợc điều chỉnh theo một vài ph−ơng trình bán thực nghiệm nh− đ−ờng đẳng nhiệt Langmuir, Henderson hay BET. Việc lấy vi phân ph−ơng trình (1.1) chính là dựa trên một ph−ơng trình đã đ−ợc điều chỉnh. Biện pháp này th−ờng gặp nhiều trong các tài liệu về sấy. Một ph−ơng pháp mới xuất hiện gần đây, do Wadso [84] đề xuất, cho phép bằng thực nghiệm xác định những đ−ờng biểu diễn liên tục cho những đ−ờng đẳng nhiệt hấp thụ và cả mức nhiệt hấp thụ trong cùng một thí nghiệm. Tuy nhiên, ph−ơng pháp này ch−a đ−ợc áp dụng cho nhiều loại vật liệu và cho tới nay mới chỉ áp dụng hạn chế cho những nhiệt độ xấp xỉ với nhiệt độ trong phòng. Hy vọng là ph−ơng pháp này sẽ đ−ợc triển khai rộng rãi trong nghiên cứu. Khi nhiệt đ−ợc đ−a vào một vật thể rắn bị ẩm −ớt, áp suất bốc hơi của 10 chất lỏng sẽ tăng lên và tạo ra một động lực chuyển tải độ ẩm từ vật thể rắn ra khí quyển bên ngoài. Nh− vậy, quá trình sấy đựơc diễn ra trong sự chuyển tải đồng thời của nhiệt và khối l−ợng. Giả định rằng một vật thể hoàn toàn ẩm −ớt đ−ợc đặt trong điều kiện th−ờng xuyên có sự truyền dẫn nhiệt và khối l−ợng bên ngoài. Nếu ghi lại sự biến đổi trọng l−ợng của vật thể theo thời gian, ta sẽ có một đuờng biểu diễn, từ đó đánh giá đ−ợc tốc độ sấy khô. Đ−ờng biểu diễn của sấy khô là đồ thị tốc độ sấy so với độ ẩm của vật thể. Hình 1.3 trình bày rõ một đ−ờng biểu diễn sấy khô điển hình [63]. Trong một thời gian ngắn lúc đầu, tốc độ sấy tăng lên, nh−ng sau đó, tốc độ sấy đ−ợc duy trì ở mức ổn định trong một khoảng thời gian tr−ớc khi hạ thấp xuống, khi hàm l−ợng ẩm đã tụt xuống đủ mức. Quá trình này đ−ợc sử dụng để giải thích quá trình sấy. Trong thời gian ngắn lúc đầu, vật liệu ẩm đ−ợc gia nhiệt và ẩm bắt đầu bốc hơi. Trong khi nhiệt độ tăng dần lên, sản sinh ra một động lực khiến ẩm bị chuyển tải khỏi bề mặt của vật thể. Với một tốc độ sấy khô nào đó, tốc độ bốc hơi cũng cân bằng với nhiệt đ−ợc cung cấp, và sau đó nhiệt độ không tăng thêm nữa. Tốc độ sấy trở nên ổn định. Ng−ời ta gọi đây là giai đoạn tốc độ không đổi [63]. Hình 1.3. Đ−ờng biểu diễn quá trình sấy khô Giai đoạn tốc độ không đổi Giai đoạn tốc độ sấy giảm Giai đoạn gia nhiệt Thời gian sấy (h) Tốc độ sấy 11 Trong tr−ờng hợp sấy khô bằng đối l−u, vật thể −ớt đ−ợc duy trì ở nhiệt độ bầu −ớt trong giai đoạn tốc độ không đổi do kết quả của sự kết nối giữa nhiệt đối l−u và sự chuyển tải khối l−ợng. Tuy nhiên trong tr−ờng hợp sấy khô bằng sự dẫn nhiệt hay bức xạ, do không có kết nối đơn giản giữa nhiệt và sự chuyển tải khối l−ợng nên nhiệt độ trong giai đoạn tốc độ không đổi th−ờng là cao hơn nhiệt độ bầu −ớt. Trong giai đoạn tốc độ sấy không đổi, sự bốc hơi diễn ra tại bề mặt của vật thể. Điều kiện chuyển động nhiệt bên ngoài sẽ xác định tốc độ sấy. Thời kỳ tốc độ sấy không đổi còn kéo dài chừng nào sự chuyển tải độ ẩm từ bên trong vật thể rắn, chủ yếu qua sức hút ở mao mạch, vẵn giữ cho bề mặt của vật thể bị ẩm. ở một hàm l−ợng độ ẩm cụ thể nào đó, khi việc vận chuyển ẩm từ bên trong ra bị giảm, thì bề mặt của vật thể bắt đầu khô dần. Sau đó, tốc độ sấy giảm xuống, đó là lúc bắt đầu giai đoạn giảm tốc độ. ở đây, sự vận chuyển bên trong là một yếu tố giới hạn, quyết định tốc độ sấy. Sự bốc hơi dần dần chuyển dịch vào phía trong của vật thể. Sức cản đối với truyền của nhiệt và của khối l−ợng vật thể tăng dần lên do hàm l−ợng ẩm giảm đi. Độ ẩm đã bốc hơi phải khuếch tán ra bên ngoài thông qua mạng l−ới mao mạch của vật thể rắn thể hiện trên hình 1.2. Vì sự bốc hơi không còn t−ơng ứng với nhiệt đ−ợc chuyển tới vật thể, cho nên nhiệt độ ở bề mặt vật thể tăng lên, và tạo ra một động lực đ−a nhiệt vào bên trong của vật thể, ở đó đang có yêu cầu bốc hơi, song nó cũng làm giảm động lực đ−a nhiệt từ bên ngoài tới bề mặt của vật thể. Đồng thời, sự liên kết của n−ớc với cấu trúc của vật thể rắn cũng làm giảm động lực vận chuyển ẩm. Nh− vậy, tốc độ sấy tiếp tục giảm đi khi hàm l−ợng ẩm giảm. Hình dạng của đ−ờng biểu diễn của quá trình sấy trong giai đoạn giảm tốc độ là duy nhất cho mọi vật thể, bởi vì nó chịu ảnh h−ởng của cả hai hiện t−ợng: Sự vận chuyển bên trong và sự hấp thụ ẩm. Nhiều khi cũng có thể có một số vùng khác biệt trong giai đoạn giảm tốc độ, đánh dấu sự khởi đầu của nhiều hiện t−ợng khác nhau. 12 Qua những điều mô tả trên đây, ta thấy rõ rằng sấy là một quá trình rất phức tạp, bao gồm sự chuyển động của nhiệt tới vật thể cần sấy, sự bốc hơi của chất lỏng ở bề mặt hay ở bên trong vật thể, và sự vận chuyển của nhiệt, chất lỏng và hơi n−ớc thông qua hệ thống mao dẫn. Nh− vậy, sấy có liên quan tới sự vận chuyển bằng nhiều hình thức, qua nhiều giai đoạn trong một môi tr−ờng có những lỗ xốp. Một số cơ chế vận chuyển khác có thể trở nên quan trọng, tuỳ thuộc vào chất liệu của vật thể sấy, hàm l−ợng ẩm, nhiệt độ và tốc độ sấy. Có một số cuốn sách đã đề cập rất chi tiết về việc sấy và hiện t−ợng sấy, nh− sách của Keey [48], Krischer và Kast [52], Luikov [61], [62] và Muumdar [65], [66], [67], [68]. Mặc dù sấy là một trong những công việc cổ x−a nhất và phổ biến nhất trong công nghiệp, đây vẫn là một đề tài khoa học đòi hỏi có sự nỗ lực trong nghiên cứu cơ bản và triển khai. Đã có rất nhiều tài liệu, các cuộc hội thảo cho thấy có rất nhiều biện pháp khác nhau đã đ−ợc áp dụng trong việc sấy, và ngoài những lý thuyết cơ bản, d−ờng nh− ch−a có một ph−ơng pháp nào đ−ợc chấp nhận một cách rộng rãi. Nh− vậy, việc áp dụng các kiến thức và những kinh nghiệm đã đạt đ−ợc trong lĩnh vực khoa học vật lý và khoa học thống kê vào lĩnh vực sấy là cần thiết. Ngày nay những tiến bộ về toán học và về lý thuyết sấy, nh− việc phát triển ph−ơng pháp bình quân khối l−ợng [84] đã cho ta một ph−ơng pháp chặt chẽ nhằm phát triển mô hình. Ph−ơng pháp này cho phép những ph−ơng trình sấy khô đ−ợc suy dẫn từ những lý thuyết cơ bản, nhấn mạnh những giả định và giới hạn của các định luật vật lý. Những kỹ thuật thực nghiệm mới, nh− ánh xạ cộng h−ởng từ, MRI [29], [53], [76], [80] cho phép đo, tính đ−ợc sự phân bố của ẩm bên trong vật thể rắn trong quá trình sấy mà không cần phải chọc dụng cụ đo vào và không cần phải phá vỡ vật thể. Những số liệu đo đó sẽ cung cấp thêm những thông tin để hiểu biết về bản chất quá trình vận chuyển ẩm để giúp ta đánh giá mô hình và đánh giá những thông số cơ bản của mô hình. 13 1.3.2. ảnh h−ởng của quá trình sấy đến khả năng nảy mầm của hạt giống Tính chịu nhiệt của hạt chủ yếu phụ thuộc vào tính chất của các thành phần hoá học trong hạt. Các chất hữu cơ khác nhau dẫn tới sự khác nhau về quá trình cấp nhiệt và tách ẩm. Protein và tinh bột là những chất keo háo n−ớc, khi hấp thụ n−ớc hai thành phần này sẽ tr−ơng lên và đó là một b−ớc quan trọng trong quá trình nảy mầm của hạt. Tính chất của tinh bột thay đổi rõ rệt ở nhiệt độ cao hơn 600C và đặc biệt cùng với độ ẩm cao sẽ xẩy ra quá trình dextrin hoá và phân ly một phần d−ới dạng dextrin. Đây là nguyên nhân làm h− hỏng hạt, giảm khả năng nảy mầm, hạt bị đổi màu và chất l−ợng hạt bị giảm nhiều khi sấy khô. Hoạt động của các enzym tăng lên khi nhiệt độ tăng, các enzyme hoạt động tốt nhất trong khoảng nhiệt độ 400C- 450C. Khi nhiệt độ cao hơn, hoạt động của các enzym giảm và ngừng hoàn toàn ở nhiệt độ 800C -1000C [50], [51], [52]. Sự giảm hoạt động của enzym liên quan tới sự biến tính của protein. Tính chịu nhiệt của hạt còn phụ thuộc vào độ ẩm hạt, hạt có độ ẩm cao thì tính chịu nhiệt kém. Vitamin trong mầm và các thành phần khác của hạt bị phá huỷ do tác động của nhiệt độ cao. 1.3.3. Chọn chế độ sấy thích hợp cho thóc giống Việc chọn chế độ sấy phụ thuộc rất lớn vào độ ẩm ban đầu của hạt, ph−ơng pháp thu hoạch, độ chín của hạt và nhất là mục đích của nó. Hạt thu hoạch t−ơi từ ngoài đồng th−ờng không đồng đều về độ ẩm và độ chín, thành phần hoá học phức tạp, quá trình liên quan đến việc chín sau thu hoạch ch−a hoàn chỉnh, nên vỏ của hạt t−ơi, nội nhũ, mầm và các phần tử khác ch−a cứng và liên kết ẩm của chúng thấp. Vì vậy, khi sấy tốc độ nhanh, nhiệt độ cao, lớp vỏ ngoài của hạt bị hoá cứng, ngăn trở n−ớc bốc hơi khỏi hạt, làm cho n−ớc 14 liên kết với các axid hoặc muối axid dễ dàng phân ly protein và dextrin hoá tinh bột, kết quả là hạt giống kém phẩm chất và giảm khả năng nảy mầm. 1.3.4. Các ph−ơng pháp làm khô truyền thống 1.3.4.1. Làm khô tự nhiên Làm khô tự nhiên là quá trình phơi vật liệu ngoài trời hay hong gió. Ph−ơng pháp này có −u điểm là đơn giản, đầu t− vốn ít, bề mặt trao đổi nhiệt lớn. Tuy nhiên, làm khô tự nhiên có các nh−ợc điểm sau đây: - Khó thực hiện cơ giới hoá, chi phí lao động nhiều - Thời gian sấy kéo dài nếu nhiệt độ không khí thấp - Sản phẩm dễ bị ô nhiễm do bụi và vi sinh vật có hại - Chiếm diện tích mặt bằng sản xuất lớn - Phụ thuộc vào thời tiết - Nhiều sản phẩm nếu sấy tự nhiên không đạt yêu cầu về chất l−ợng 1.3.4.2. Sấy đối l−u Sấy đối l−u có thể áp dụng ở nhiệt độ thấp hay ở nhiệt độ cao, sấy ở thiết bị sấy lớp hạt động, sấy ở thiết bị sấy lớp hạt tĩnh. a) Sấy tĩnh Sấy ở nhiệt độ thấp là dùng khí trời làm tác nhân sấy, không gia nhiệt hay gia nhiệt ít, độ gia nhiệt T < 6 0C. Sấy nhiệt độ cao, tác nhân sấy gia nhiệt, nhiệt độ không khí sấy từ 400C trở lên. Trong cả 2 loại sấy này hạt đều nằm trong buồng sấy hoặc trong kho bảo quản. Sấy ở nhiệt độ thấp đ−ợc sử dụng có hiệu quả ở những nơi không khí có độ ẩm thấp. Hội nông trại ở châu Âu dùng để sấy lúa mì [69], ở Mỹ dùng để sấy ngô và đậu nành [45], ở Hàn Quốc với điều kiện thời tiết thuận lợi, ng−ời ta dùng ph−ơng pháp thông thoáng tự nhiên để sấy lúa khô đến mức bảo quản an toàn mà không cần gia nhiệt [49], [11], [12], [16], [22]. Theo kết quả dự án NAPHIRE/ACIAR (Viện Nghiên cứu Quốc gia về Sau thu hoạch và 15 khảo nghiệm của Philipin và Trung tâm Nghiên cứu Nông nghiệp Quốc tế úc), ng−ời ta thử nghiệm sấy nhiệt độ thấp với điều kiện khí hậu nhiệt đới của Philipin [82]. Họ đã triển khai sấy hai giai đoạn liên hợp: Sấy nhiệt độ cao ở giai đoạn đầu với độ ẩm hạt lớn hơn 18%. Muhlbaer [69], [70] và Gustafsom [45], [5], [6] tiến hành sấy 2 giai đoạn nh− trên để sấy ngô, kết quả cho thấy chất l−ợng hạt khá tốt. Việc sấy nhiệt độ thấp cũng đ−ợc một số tác giả khác quan tâm nh− Sutherland [81] theo loyns [60] ở Canada, dùng không khí tự nhiên để sấy hạt có hiệu quả khi hệ thống sấy có năng suất lớn hơn 150 tấn, và thích hợp với các n−ớc có độ ẩm không khí thấp. b) Ph−ơng pháp sấy lớp hạt di động Sấy lớp hạt di động đ−ợc dùng khá phổ biến ở các n−ớc công nghiệp phát triển. Đặc tr−ng cơ bản của ph−ơng pháp này là vật liệu sấy chuyển động trong quá trình sấy. Ph−ơng pháp này đ−ợc thực hiện trong các thiết sấy dạng tháp (máy sấy tháp), sấy thùng quay và sấy tầng sôi [14]. Ưu điểm của ph−ơng pháp sấy lớp hạt di động là hạt khô đều, có thể cơ giới hoá và tự động hoá trong quá trình sấy. Tuy nhiên, thời gian sấy vẫn bị kéo dài, có khả năng làm vỡ lớp vỏ thóc, nhất là thóc lai, không có tính chất tiệt trùng do vậy khả năng nảy mầm của hạt dễ bị giảm trong quá trình bảo quản. 1.3.5. Một số ph−ơng pháp sấy hiện đại và khả năng áp dụng 1.3.5.1. Ph−ơng pháp sấy “thăng hoa“ Ph−ơng pháp này thực hiện bằng cách làm lạnh đông vật sấy, đồng thời hút chân không để cho n−ớc trong vật sấy đạt đến trạng thái thăng hoa - ẩm thoát ra khỏi vật sấy nhờ quá trình “thăng hoa”. Chất l−ợng của sản phẩm sấy bằng ph−ơng pháp sấy này rất tốt, nh−ng chi phí cho quá trình sấy rất lớn, thiết bị phức tạp, đắt tiền. 16 1.3.5.2. Sấy bơm nhiệt Bơm nhiệt nh− tủ lạnh, chỉ khác nhau ở mục đích sử dụng là cấp nhiệt. Nhiệt đ−ợc bơm từ dàn bay hơi bên trong tủ lạnh tới bộ ng−ng tụ bên ngoài tủ. Khi dàn lạnh đ−ợc đặt hở để nhận nhiệt từ môi tr−ờng thì dàn nóng sẽ thải ra nguồn nhiệt cao. Dàn lạnh lấy đi nhiệt l−ợng và tách bớt ẩm ra khỏi không khí, môi chất sẽ nhận của không khí và tập trung nhiệt lại và thải ra ngoài. Nh−ợc điểm chính của ph−ơng pháp này chỉ sấy đ−ợc ở quy mô nhỏ, kết cấu thiết bị phức tạp, giá thành thiết bị cao 1.3.5.3. Sấy bằng điện tr−ờng tần số cao Nhiệt cung cấp cho vật sấy sinh ra nhờ ma sát nhiệt nội phân tử do các dipôl n−ớc chuyển động d−ới điện tr−ờng biến đổi nhanh. Sấy bằng ph−ơng pháp này có giá thành t−ơng đối cao và khó áp dụng cho sấy hạt giống vì có thể ảnh h−ởng đến phôi hạt. 1.4. Sấy thóc giống bằng bức xạ hồng ngoại 1.4.1. Cơ sở lý thuyết về truyền nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại Năm 1800, Willam Herschel (1738 - 1822) [63] đã phát hiện sự tồn tại của ánh sáng không nhìn thấy trong quang phổ mặt trời, ánh sáng đó mang một nhiệt l−ợng lớn, ánh sáng này nằm ngoài vùng đỏ của quang phổ nên herschel gọi nó là hồng ngoại. Năm 1901, Max Planck (1858 - 1847) [63] đã công bố một công trình nổi tiếng dẫn xuất từ phân bố năng l−ợng bức xạ của một vật đen phù hợp với các dữ liệu của thí nghiệm. Trong dẫn giải của mình, ông đ−a ra một giả định táo bạo: Đó là năng l−ợng chỉ nhận những giá trị riêng biệt-l−ợng tử [63]. Giả định này đã đ−ợc Albert Einstein khẳng định năm 1905 trong một hiệu ứng quang điện. Công trình của Max Planck đã cung cấp cơ sở lý thuyết cho tính toán truyền nhiệt bức xạ. 17 1.4.1.1. Bản chất của bức xạ nhiệt Bức xạ nhiệt, sóng rađiô, vi sóng và ánh sáng thông th−ờng là những ví dụ bức xạ điện từ. Mọi sóng điện từ đều lan truyền với tốc độ ánh sáng c [30], [33], [34], [35], [63], mọi sóng cũng nh− photon đều đặc tr−ng bởi một trong ba đại l−ợng: tần số ν, b−ớc sóng λ, số sóng η. Những đại l−ợng này có liên hệ với nhau theo ph−ơng trình sau: ηλυ c c == (1.2) Mỗi sóng hoặc photon mang một năng l−ợng , đ−ợc xác định theo ph−ơng trình của cơ học l−ợng tử: e υhe = (1.3) Trong đó: là hằng số Planck h Sóng điện từ có b−ớc sóng khác nhau nên mang năng l−ợng khác nhau và cũng khác nhau về tính chất. Sóng điện từ đ−ợc phân nhóm nh− sau: Các tia Gama có chiều dài b−ớc sóng λ = 0,1.10-4ữ 10.10-4àm Các tia Rơnghen λ = 10-4ữ 200.10-4àm Các tia tử ngoại λ = 0,02.10-4ữ 0,4àm Các tia sáng λ = 0,4 ữ 0,76 àm Các tia hồng ngoại λ = 0,76 ữ 400àm Các tia sóng vô tuyến λ > 0,2 mm Trong kỹ thuật nhiệt, ng−ời ta chỉ khảo sát những tia mà nhiệt độ th−ờng gặp chúng có hiệu ứng nhiệt cao (vật hấp thụ đ−ợc và biến thành nhiệt năng). Đó là các tia hồng ngoại và ánh sáng, còn gọi là quá trình bức xạ nhiệt. Đặc điểm của bức xạ nhiệt là luôn gắn liền với sự chuyển hoá năng l−ợng từ dạng này sang dạng khác. Khi bức xạ (nội năng) của vật biến thành năng l−ợng của các dao động điện từ và truyền đi trong không gian theo mọi 18 ph−ơng với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng. Khi gặp các vật khác, một phần hoặc toàn bộ năng l−ợng đó bị các vật hấp thụ và lại biến thành nhiệt năng và nhiệt năng đó lại đ−ợc phát đi d−ới dạng năng l−ợng các dao động điện từ,... 1.4.1.2. Nguyên lý bức xạ hồng ngoại Khi sóng điện từ đập vào bề mặt của môi tr−ờng nào đó, sóng đó có thể bị phản xạ, hấp thụ hoặc truyền qua. Nếu bức xạ không đ−ợc truyền qua mà chỉ phản xạ hoặc hấp thụ thì môi tr−ờng nh− vậy đ−ợc gọi là chắn quang. Nếu sóng đ−ợc truyền qua mà không bị hấp thụ thì môi tr−ờng đ−ợc gọi là thấu quang, còn môi tr−ờng hấp thụ một phần và truyền qua một phần thì đ−ợc gọi là bán thấu quang. Tính thấu quang, bán thấu quang, chắn quang tuỳ thuộc vào chất và chiều dày của môi tr−ờng [31], [32], [63]. Xem xét bức xạ nhiệt tác động lên môi tr−ờng có chiều dày hữu hạn nh− trên hình 1.4 Hấp thụ Truyền qua Phản xạBức xạ chiếu Hình 1.4. Hấp thụ, phản xạ và truyền qua một môi tr−ờng hữu hạn Trong tr−ờng hợp chung một phần bức xạ đ−ợc phản xạ, một phần đ−ợc hấp thụ và một phần còn lại đ−ợc truyền qua. Ký hiệu: r - độ phản xạ a - độ hấp thụ τ - độ trong suốt 19 Phần phản xạ của bức xạTa có: r = τ a = Tổng bức xạ đến Phần hấp thụ của bức xạ Tổng bức xạ đến Phần truyền qua của bức xạ τ = Tổng bức xạ đến Theo định luật bảo toàn năng l−ợng ta có: τ++ ra = 1 (1.4) Nếu môi tr−ờng là chắn quang thì τ = 0 ra + = 1 (1.5) Một bề mặt hoàn toàn không phản xạ đ−ợc gọi là bề mặt đen hay vật đen. Theo định luật bức xạ thì vật đen cũng sẽ phát xạ ra năng l−ợng bức xạ lớn nhất so với tất cả các vật thể có cùng nhiệt độ. Trên thực tế không có vật đen tuyệt đối: các vật thể thông th−ờng phát xạ ít hơn vật đen, sự chênh lệch đó đ−ợc gọi là độ phát xạ ε là tỷ lệ giữa năng l−ợng thực tế phát xạ ra và năng l−ợng do vật đen phát xạ ra có cùng nhiệt độ. Các vật thể đen thông th−ờng đó gọi là vật xám. Theo định luật bức xạ thì phần bức xạ do vật đen phát xạ đúng bằng phần bức xạ đ−ợc hấp thụ: ε = a (1.6) Các đại l−ợng ετ ,,, ra không có thứ nguyên và thay đổi trong khoảng 0 đến 1. Trong kỹ thuật có thể coi mọi bề mặ._.t là khuếch tán, sự phụ thuộc vào b−ớc sóng là rất quan trọng đối với các loại thiết bị sấy bằng bức xạ hồng ngoại. 20 Sự phân bổ năng l−ợng bức xạ của vật đen theo định luật Planck đ−ợc mô tả bởi ph−ơng trình: ( ) ( )[ ]12, /5 2 0 −= kThce chTE λλ λ πλ (1.7) Trong đó: k - là hằng số Boltzmann T0 - là nhiệt độ tuyệt đối vật bức xạ Đối với nhiệt độ đã cho, định luật Planck cho năng l−ợng lớn nhất có thể đạt đ−ợc với b−ớc sóng khác nhau. B−ớc sóng cho bức xạ cực đại theo định luật Wien đ−ợc mô tả bởi ph−ơng trình: 0 6 max 10.2898 T =λ (1.8) Định luật Planck và Wien đ−ợc minh hoạ trên hình 1.5. Rõ ràng là khi nhiệt độ tăng lên, năng l−ợng phát xạ tăng lên càng nhiều ở các b−ớc sóng ngắn hơn. Nh− vậy phân bổ bức xạ thay đổi. Nó cũng cho ta thấy mặc dù những đ−ờng cong này là liên tục từ không đến vô cực, phần lớn năng l−ợng ứng dụng trong kỹ thuật đều nằm trong một giải sóng khá hẹp. Hình 1.5. Mối quan hệ giữa năng suất phát xạ của vật đen và b−ớc sóng Đ−ờng liền: ph−ơng trình Planck, Đ−ờng gạch: ph−ơng trình Wien 21 Một điều rõ ràng nữa là diện tích d−ới đ−ờng cong trong định luật Planck cũng tăng nhanh, dẫn đến sự tăng tổng năng l−ợng phát xạ thu đ−ợc bằng ph−ơng trình Planck của tất cả các b−ớc sóng, nh− đã cho thấy trong ph−ơng trình (1.9). Kết quả đó chính là định luật Stefan-Boltzmann nổi tiếng, với σ là hằng số bức xạ của vật đen tuyệt đối. Ph−ơng trình này cho thấy rằng năng l−ợng phát xạ phụ thuộc vào luỹ thừa bậc bốn của nhiệt độ. ( ) ( )[ ] 40 /5 2 0 1 2 Td e chTE kThc σλλ π λλ =−=∫ ∞ (1.9) Nếu xem xét sự phụ thuộc vào b−ớc sóng của các đặc tính bức xạ thì nên tích phân trên một giải sóng hữu hạn, nh− đã chỉ ra trong ph−ơng trình (1.10) để có thể xác định năng l−ợng trong giải sóng đó. ( ) ( )[ ] λλ π λ λ λλ de chTE kThc∫ −= 2 1 1 2 /5 2 0 (1.10) 1.4.1.3. Cơ chế bức xạ hồng ngoại của gốm đặc biệt Các bộ cải biến năng l−ợng [104], [105], tạo ra bức xạ hồng ngoại đ−ợc phủ trên bề mặt một lớp gốm đặc biệt dày khoảng 20àm. Gốm hấp thụ năng l−ợng của miền phổ rộng (sợi đốt, thanh đốt) và chuyển hoá thành phổ hẹp trong vùng hồng ngoại đã đ−ợc xác định. Quá trình hấp thụ năng l−ợng và bức xạ tia hồng ngoại chọn lọc xẩy ra liên tục trên toàn bộ lớp gốm phủ. Phản ứng quang hoá của các sóng có chiều dài b−ớc sóng khác nhau làm tăng năng l−ợng tổng của hệ thống. Sau khi đạt tới điểm bão hoà của năng l−ợng hoạt hoá hay hàng rào năng l−ợng, hệ thống quay trở về trạng thái ban đầu, đồng thời giải phóng ra năng l−ợng, l−ợng tử nhất định. Có thể hình dung khái quát toàn bộ quá trình đó nh− sau: Nguyên tắc hoạt động của bộ cải biến gốm bức xạ hồng ngoại [104], [105], chính là quá trình quang hoá xẩy ra trong hệ thống. Có thể mô tả các quá trình này một cách −ớc lệ d−ới dạng tổng quát: 22 a + b hν1 ab ab + c hν2 abc . . . . . . . . . . . . . . . . . ambn cn + a hνi ambncna trong đó: h - hằng số Planck νi - tần số bức xạ λcl - b−ớc sóng chọn lọc I - c−ờng độ bức xạ 0 I mà λcl λi Hình 1.6. Gốm hấp thụ năng l−ợng của miền phổ rộng (sọi đốt, thanh đốt) và chuyển hoá năng l−ợng có miền phổ hẹp (chọn lọc) Trong biểu thức đã cho a, b, c, hν1, hν2, hν3... là các cấu tử hấp thụ bức xạ đặc tr−ng cho mỗi năng l−ợng ứng với chiều dài b−ớc sóng λ1, λ2, λ3... Mỗi một quá trình quang hoá hấp thụ một năng l−ợng hνi dẫn đến làm tăng E0, đồng thời giải phóng ra một năng l−ợng l−ợng từ ∆Ε để sử dụng cho quá trình. Điều đó có nghĩa là ∆Ε = hνcl , vậy thì khi định tr−ớc ∆Ε, chúng ta có thể thu đ−ợc b−ớc sóng cần thiết vì chiều dài b−ớc sóng λ tỉ lệ nghịch với tần số ν. 23 Ea ∆Ε E0 λ Hình 1.7 Quá trình quang hoá hấp thụ năng l−ợng Quá trình này rất hiệu quả, vì toàn bộ năng l−ợng nguồn sơ cấp nằm ở một phía của lớp gốm đ−ợc vật liệu gốm hấp thụ và sau đó lại đ−ợc bức xạ ở miền phổ hẹp, hiệu suất sử dụng đạt tới 96% [104],[105], có nghĩa là 96% năng l−ợng nguồn sơ cấp do vật liệu gốm hấp thụ sẽ đ−ợc tái bức xạ trong miền phổ hẹp. Quá trình quang hoá xẩy ra rất nhanh, để hệ thống đạt tới điểm bão hoà và quay về trạng thái ban đầu sau khi đã bức xạ năng l−ợng ở miền phổ hẹp chỉ cần có một phần trăm triệu giây. Các tính chất trên đã đ−ợc các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu ứng dụng để sấy khô nguyên vật liệu và các sản phẩm khác nhau, đặc biệt trong lĩnh vực sấy khô nông sản, thực phẩm và hải sản. Mọi vật thể hữu cơ (nông sản, thực phẩm, rau quả...) đều cấu tạo từ các thành phần hợp chất hữu cơ và n−ớc (H2O). Phổ hấp thụ năng l−ợng của n−ớc và các chất hữu cơ là khác nhau. ở một giải b−ớc sóng nhất định, n−ớc hấp thụ năng l−ợng tối đa, có thể coi là vật "đen tuyệt đối", các phân tử n−ớc hấp thụ năng l−ợng bức xạ hồng ngoại có b−ớc sóng chọn lọc sẽ bay hơi và đem theo nhiệt d−, còn các chất hữu cơ khác hấp thụ rất ít, có thể coi nh− "trong suốt" [15], [38], [104], [105]. Thí dụ, quang phổ hấp thụ, bức xạ của hơi n−ớc gồm những khoảng quan trọng nhất sau đây: 24 =λ (1,3 đến 1,5 mà ,1,7 đến 2,0 mà , 2,3 đến 3,4 mà , 4,5 đến 8,5 mà ) λ Hình 1.8 C−ờng độ bức xạ đo đ−ợc của gốm bức xạ hồng ngoại ứng với nhiệt độ khác nhau Bằng cách đó thậm chí nhiệt độ môi tr−ờng xung quanh là 30°C, nhiệt độ của vật có thể thấp hơn 30°C, n−ớc vẫn thoát khỏi vật thể sấy à đ−ợc đ−a ra ngoài khỏi buồng sấy. Kết quả là vật sấy khô nhanh, khô kiệt, c n các chất hữu cơ, các loại vitamin... hầu nh− đ−ợc bảo toàn. Đây là −u điểm công nghệ sấy bức xạ giải tần hẹp chọn lọc. Rakhimốp [104], [1 chế ra hàng trăm loại gốm, phát bức xạ hồng ngoại ở các giải són để phục vụ cho các mục đích khác nhau trong đó có loại gốm b ngoại giải tần hẹp với b−ớc sóng λ = 4,5 ữ 8,5 àm, đây là một tro sóng cơ bản. Đối với n−ớc thì khả năng bức xạ và hấp thụ năng l tính chọn lọc, vì vậy, có thể sử dụng năng l−ợng bức xạ này để sấ sản, thực phẩm và hải sản [15], [104], [105]. Đồng thời trong tr−ờng và sản phẩm đ−ợc thanh trùng, vì do vi sinh vật trong mô trong sản phẩm sẽ cũng bị xuất n−ớc, một số bị chết, một số chuy đoạn tiềm sinh. v ò nổi bật của 05] đã sáng g khác nhau ức xạ hồng ng năm giải −ợng có đặc y khô nông khi sấy môi i tr−ờng và ển sang giai 25 1.3.1.4. Các bộ gia nhiệt IR - điện Tất cả các bộ gia nhiệt IR-điện đều dựa trên nung nóng điện trở. Dòng điện khi đi qua điện trở sẽ làm nóng sợi điện trở đó để bản thân nó phát bức xạ hoặc để làm nóng một bộ phận phát xạ khác. Các bộ gia nhiệt IR-điện và ứng dụng của chúng đã đ−ợc Biau trình bày chi tiết. Ratti và Mujumdar đã đ−a ra một số nhận xét chung về chúng. Đặc biệt Rakhimốp đã sáng chế ra loại gốm đặc biệt đã trình bày ở trên. Các bộ gia nhiệt tạo bức xạ hồng ngoại làm nóng bằng điện năng th−ờng đ−ợc làm bằng gốm hoặc kim loại, đ−ợc nung nóng từ bên trong bởi các điện trở, các bộ gia nhiệt loại này có thể có hình dang bất kỳ, nh−ng th−ờng là dạng tấm, hoặc dạng ống trụ có đ−ờng kính φ10ữ20 mm, bề mặt có thể đ−ợc tráng men, phủ lớp gốm hoặc phủ chất đặc biệt [104] thể hiện ở hình 1.9. Những bộ gia nhiệt loại này đ−ợc chế tạo rất gọn, th−ờng có kết hợp với một bộ phận phản xạ bằng kim loại để h−ớng bức xạ tới vật sấy. Một số bộ gia nhiệt sử dụng công nghệ đèn, bộ gia nhiệt loại này sử dụng các sợi dây điện trở bằng hợp kim, đ−ợc bảo vệ băng thuỷ tinh thạch anh. 654 321 Hình 1.9 Cấu tạo bộ gia nhiệt nguồn bức xạ hồng ngoại IR- điện 1. Cơ cấu gá nguồn cách điện, 2. Đế mang, 3. Nguồn nhiệt sơ cấp (dây điện trở, hơi n−ớc, gas, 4. Điện cực, tiếp nối, 5. Cách điện, vật liệu đệm, 6. Lớp phủ gốm bức xạ hồng ngoại (có chọn lọc b−ớc sóng) 26 Hiện nay, các công trình nghiên cứu đã công bố về bộ gia nhiệt IR-điện ít hơn nhiều so với bộ gia nhiệt đốt bằng gas [54], [55], [56], [57]. kết quả nghiên cứu của Bedard cho thấy hiệu suất các bộ gia nhiệt bằng IR-điện cao hơn gần hai lần hiệu suất của bộ gia nhiệt đốt bằng gas, còn Graab thì công bố hiệu suất bức xạ của bộ gia nhiệt IR- điện cao hơn khoảng 35% so với bộ gia nhiệt đốt bằng gas. Nhìn chung, các bộ gia nhiệt IR-điện có phản ứng chuyển tiếp nhanh so với các bộ gia nhiệt đốt gas, điều này có ý nghĩa quan trọng đối với điều khiển và an toàn. Chúng tôi đã kết hợp với Trung tâm Triển khai công nghệ Viện Công nghệ ứng dụng (Bộ Khoa học và Công nghệ) chế tạo các thanh gốm bức xạ hồng ngoại có các thông số kỹ thuật t−ơng đ−ơng với các thanh gốm bức xạ của n−ớc ngoài thể hiện trên hình 1.8. Tuy nhiên, độ bền còn thấp, cần phải nghiên cứu hoàn thiện để nâng cao tuổi thọ của các thanh gốm bức xạ hồng ngoại. 1.4.1.5. Lý thuyết hệ kín và môi tr−ờng có tác động Do bức xạ đ−ợc truyền đi trong môi tr−ờng rộng nên sự cân bằng năng l−ợng cho một điểm nào đó trong không gian phải tính đến tất cả các photon đạt đến điểm đó, dẫu chúng từ nguồn cách xa nh− thế nào [63], [88], [89]. Tuy nhiên, khi nghiên cứu sự cân bằng năng l−ợng ng−ời ta th−ờng thực hiện trong một hệ kín, đ−ợc bao bọc bởi những t−ờng chắn quang, chứ không phải một điểm trong không gian ngoài. Hình 1.10 minh hoạ một hệ kín có hình dáng hình học bất kỳ, thể hiện sự cân bằng năng l−ợng cho một bề mặt [63]. Nguyên lý đ−ợc minh hoạ ở đây là sử dụng cho vật xám. Vị trí véctơ r đ−ợc dùng để chỉ một vị trí nào đó. Tổng thông l−ợng nhiệt đi ra từ bề mặt J là tổng bức xạ, phản xạ và phát xạ, đ−ợc biểu thị trong ph−ơng trình sau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )rGrrrErrJ += ε (1.11) Trong đó: - là tổng bức xạ của vật đen tại vị trí véctơ r, ( )rE 27 ( )−rε Bức xạ của vật xám Bức xạ chiếu ( )−rG Phản xạ của bức xạ ( )−rr Sự cân bằng năng l−ợng trên bề mặt dA đ−ợc biểu thị trong ph−ơng trình sau: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )rGrarErrGrJrq −=−= ε (1.12) Bức xạ chiếu G(r) đ−ợc xác định bằng cách tính bổ sung của diện tích vi phân dA'(r'), sau đó tích phân trên toàn bộ bề mặt. Từ việc xác định hệ số góc bức xạ, có thể biểu thị nh− trong ph−ơng trình sau: ( ) ( ) ''' dAdFrJdArG dAdAA −∫= (1.13) G rG ε r dA' T(r),ε(r) dA r' 0 Hình 1.10. Trao đổi bức xạ trong hệ khuếch tán kín và nguyên lý cân bằng năng l−ợng bề mặt Sử dụng tính chất hoán đổi và thay vào ph−ơng trình (1.12), ta đ−ợc: ( ) ( ) ( ) ( ) ( )( )dAdFrJrarErrq dAdAA '' −∫−= ε (1.14) Trong các tr−ờng hợp không có môi tr−ờng tác động, c−ờng độ phát th−ờng đ−ợc loại trừ. Biểu thị c−ờng độ phát theo nhiệt độ cục bộ và nhiệt 28 thông và loại bỏ bức xạ chiếu ( )rG khỏi ph−ơng trình (1.10), ta có: ( ) ( ) aJEGJaaGEaqq −=−−−+− εε (1.15) Thay định luật bức xạ vào ph−ơng trình (1.6) ta thu đ−ợc một ph−ơng trình tích phân thể hiện mối quan hệ giữa nhiệt độ và nhiệt thông tại mỗi vị trí r, trong hệ kín: ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )∫∫ −− −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −− A dAdAdAdAA dFrErEdFrq rr rq '' ''1' 1 εε (1.16) Nh− vậy, nếu biết đ−ợc nhiệt độ thì có thể tính ra nhiệt thông, và ng−ợc lại. Tuy nhiên việc giải ph−ơng trình tích phân là rất khó vì rằng trong đó có những biến số độc lập ch−a biết. Để bài toán đơn giản ng−ời ta th−ờng chia hệ kín ra N bề mặt đẳng nhiệt, mà trên đó thì c−ờng độ phát (tức là nhiệt độ, các đặc tính bức xạ và nhiệt thông q) đ−ợc coi là không đổi. Khi đó ph−ơng trình (1.16) sẽ đ−ợc đơn giản hoá đối với bề mặt Ai và đ−ợc viết d−ới dạng denta Kronecker δi j: ( )∑ ∑ = = −− −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −− N j N j jjiijjji jj ij EFqF 1 1 11 δεε δ (1.17) Nh− vậy bài toán đã đ−ợc chuyển sang dạng thức thích hợp cho tính toán bằng số. Đối với một hệ kín có N bề mặt thì cần giải N ph−ơng trình, và bài toán có thể đặt d−ới dạng ma trận. Tuy nhiên khi xem xét một số hạn chế bề mặt thì cần nhớ rằng các kết quả tính là giá trị trung bình trên mỗi bề mặt. Khi xem xét hệ kín mà trong đó các đặc tính bức xạ phụ thuộc vào b−ớc sóng thì ph−ơng trình cần đ−ợc giải cho từng b−ớc sóng riêng. Thông th−ờng ng−ời ta sử dụng cách tính gần đúng để giải cho một số sóng hữu hạn, 12 λλλ −=∆ , trong đó đặc tính bức xạ đ−ợc coi là không đổi. Khi đó ph−ơng trình (1.17) đ−ợc viết nh− sau: ( )∑ ∑ = = − −=⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ −− N i N j jijijjji jj ij EFqF 1 1 11 λλ λλ δεε δ (1.18) 29 Nếu biết đ−ợc nhiệt độ bề mặt J thì năng l−ợng bức xạ Eλj là tích phân trong ph−ơng trình (1.10). Giải N ph−ơng trình với N ẩn số của ph−ơng trình (1.18) đối với mỗi ∆λ với mỗi bề mặt thì tổng nhiệt thông đ−ợc xác định bằng tổng cộng của tất cả các giải b−ớc sóng. Có một số chất rắn và lỏng hấp thụ năng l−ợng bức xạ dần dần (sâu). Thí dụ điển hình là n−ớc, thuỷ tinh, thạch anh. Một số chất khí phân tử nh− hơi n−ớc, mê tan hấp thụ và phát xạ photon khi mức năng l−ợng của nó thay đổi. Bức xạ t−ơng tác với các chất khí, chất lỏng, chất rắn một cách phức tạp. Năng l−ợng có thể bị môi tr−ờng hấp thụ, đồng thời môi tr−ờng cũng phát xạ và có thể dẫn đến tăng c−ờng độ bức xạ. Trong tr−ờng hợp phức tạp hơn, khi có các hạt trong chất khí hoặc lỏng thì bức xạ không chỉ đ−ợc hấp thụ và phát xạ mà thay đổi cả h−ớng đến của bức xạ tới. Hiện t−ợng này đ−ợc gọi là tán xạ. Trong chất rắn, sự tán xạ có thể xuất hiện về sự không đồng nhất cục bộ. Tất cả các môi tr−ờng hấp thụ dần dần, tán xạ hoặc phát xạ đ−ợc gọi là môi tr−ờng có tác động. Trong môi tr−ờng có tác động, sự hấp thụ, phát xạ và tán xạ năng l−ợng không chỉ diễn ra tại ranh giới của hệ thống, mà còn xẩy ra mọi điểm trong môi tr−ờng. Việc xác định đầy đủ sự trao đổi năng l−ợng đòi hỏi phải biết nhiệt độ, c−ờng độ bức xạ và đặc tính vật lý của môi tr−ờng. Đối với một bề mặt khuyết tán, mối quan hệ giữa c−ờng độ bức xạ từ một bề mặt và năng suất phát xạ đ−ợc xác định trong ph−ơng trình: ( ) ( )π λλ λλ TETIb = (1.19) Trong một môi tr−ờng không tác động, c−ờng độ trong mỗi h−ớng là không đổi theo đ−ờng đi của nó. Nh− vậy mọi thay đổi c−ờng độ theo đ−ờng đi phải là do hấp thụ, phát xạ hoặc tán xạ của môi tr−ờng. Bằng cách lập cân bằng năng l−ợng cho dòng năng l−ợng bức xạ theo h−ớng S trong một chùm tia và tính tổng của phát xạ, hấp thụ, tán xạ ra khỏi h−ớng S và tán xạ vào trong h−ớng S, ta có đ−ợc ph−ơng trình sau: 30 iii s sb dsssIIIkIks I t I c Ω⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛+−−=∂ ∂+∂ ∂ ∩∩∫ ;41 4 ^ λ π λ λ λλλλλλ λλ φπ σσ (1.20) Ph−ơng trình (1.20) là ph−ơng trình truyền bức xạ hoàn chỉnh. Số hạng thứ nhất vế trái là số hạng chuyển tiếp, th−ờng đ−ợc bỏ qua trong các ứng dụng kỹ thuật, vì tốc độ ánh sáng cao đến mức mọi thay đổi coi nh− xảy ra đồng thời. Số hạng đầu tiên của vế phải là gia tăng do phát xạ, số hạng thứ hai là suy giảm do hấp thụ với kλ là hệ số hấp thụ tuyến tính, số hạng thứ ba là suy giảm do tán xạ với σsλ là hệ số tán xạ tuyến tính, đ−ợc gọi là tán xạ ra, số hạng tích phân là gia tăng do các photon đang hành trình theo các h−ớng khác và bị tán xạ vào h−ớng S. Hiện t−ợng này đ−ợc gọi là tán xạ vào. Hàm φλ đ−ợc gọi là hàm tán xạ. Nó mô tả xác suất mà một tia từ một h−ớng Si sẽ tán xạ vào một h−ớng S nào đó. dΩi là vi phân góc khối quanh h−ớng Si. Tất cả các đại l−ợng trong ph−ơng trình (1.20) đều có thể thay đổi theo thời gian, b−ớc sóng và vị trí không gian, trong khi đó, c−ờng độ và hàm pha cũng phụ thuộc vào h−ớng ph−ơng trình truyền bức xạ là một ph−ơng trình vi phân tích phân, có tính đến thời gian, không gian, và hai toạ độ h−ớng. Để đánh giá hàm số Planck Ibλ , cần phải biết nhiệt độ cục bộ. Điều này đòi hỏi sự đánh giá đồng thời về ph−ơng trình năng l−ợng tổng và tích phân trên toàn bộ quang phổ. Rõ ràng, đây là một công việc nan giải. Nếu môi tr−ờng là đẳng h−ớng, nghĩa là bức xạ chỉ có thể truyền theo h−ớng đi lại, thì ph−ơng trình (1.20), với kλ và σsλ là các hệ số một chiều, thì ph−ơng trình có dạng sau: ( ) ( ) +−− −+ + ++−=− ++−= IIk dz dI IIk dz dI ss ss λλλ λλλ σσ σσ (1.21) 31 Những ph−ơng trình này có dạng nh− những ph−ơng trình đ−ợc sử dụng trong mô hình Kubelka - Munk. Nếu sự tán xạ đ−ợc giả định là đồng nhất các ph−ơng trình (1.21) có thể tích phân đ−ợc trong những điều kiện nhất định. 1.4.2. Ưu nh−ợc điểm của sấy bức xạ hồng ngoại Sấy bức xạ là ph−ơng pháp sấy dùng dòng nhiệt bức xạ để gia nhiệt và sấy khô vật liệu. Ph−ơng pháp sấy này có −u nh−ợc điểm nh− sau: Ưu điểm: - C−ờng độ bay hơi ẩm lớn có thể gấp vài lần so với sấy đối l−u và tiếp xúc. Nguyên nhân chủ yếu là do dòng nhiệt bức xạ trên một đơn vị diện tích rất lớn. Các kết quả thí nghiệm cho thấy: Khi sấy đối l−u nhiệt độ không khí sấy1000C, độ ẩm 5% tốc độ dòng khí 2 m/s nhiệt độ vật liệu sấy 400C thì nhiệt l−ợng truyền cho vật liệu sấy là 750 kcal/m2h. Khi sấy bức xạ nhiệt do vật liệu sấy là 400C nh−ng nguồn nhiệt có thể chọn rất cao. Ví dụ nhiệt độ nguồn nhiệt 6000C thì dòng nhiệt bức xạ là 22.500 kcal/m2h nghĩa là lớn hơn 30 lần, nếu nhiệt độ nguồn nhiệt 8000C thì dòng nhiệt bức xạ lớn hơn 70 lần so với sấy đối l−u [42], [43], [71], [72], [73], [75], [83], [92], [96]. - Thời gian sấy rút ngắn nhờ đó đã làm tăng năng suất thiết bị sấy và giảm giá thành sản phẩm, giảm vật liệu chế tạo. Tùy theo từng tr−ờng hợp mà thời gian có thể giảm hàng chục thậm chí hàng trăm lần so với sấy đối l−u. Ví dụ: Khi sấy vải bằng đèn hồng ngoại thì thời gian sấy có thể giảm đi từ 50 - 100 lần so với sấy tiếp xúc và đối l−u. - Thiết bị gọn, chiếm ít diện tích lắp đặt. Với bề mặt bức xạ 1,2 - 1,5 m2 có thể thay thế cho 24 lô sấy tiếp xúc bằng đồng. - Không làm nóng môi tr−ờng không khi, không có lực cản của pha khí trong sự chuyển động nhiệt nh− trong tr−ờng hợp sấy bằng đối l−u, và cũng không yêu cầu phải tiếp xúc trực tiếp nh− trong tr−ờng hợp sấy bằng dẫn 32 nhiệt, có thể sấy một số phần ở trong một vật thể lớn, mà không cần phải sấy toàn bộ các phần của vật thể đó nh− trong những lò đối l−u. Gia nhiệt bằng bức xạ có thể cung cấp nhiệt đồng đều, không thay đổi cho sản phẩm chí ít cũng là cho những mặt phẳng, nh−ng cũng có thể cung cấp nhiệt tập trung giống nh− cung cấp ánh sáng, do đó có thể sấy chỗ nào tuỳ theo sự lựa chọn, cần thiết. Độ tăng nhiệt độ của sản phẩm trong giai đoạn giảm tốc độ thông th−ờng chỉ có ít ảnh h−ởng đối với sự chuyển động nhiệt bằng bức xạ từ thiết bị sấy bằng bức xạ hồng ngoại, trong khi độ tăng nhiệt đó trong tr−ờng hợp máy sấy đối l−u hay máy sấy truyền dẫn nhiệt có thể làm cho động lực giảm đi rất nhiều. Vì những thiết bị sấy bằng bức xạ hồng ngoại đ−ợc thiết kế không có sự chuyển động không khí sát gần vật thể cần sấy, nên có thể tránh đ−ợc việc vận chuyển những bụi, những thứ bẩn trên những bề mặt nhạy cảm nh− mặt sơn, mặt tráng men và các loại nông sản thực phẩm. So với máy sấy đối l−u, thì hệ thống tuần hoàn không khí của thiết bị sấy bằng bức xạ hồng ngoại nhỏ hơn rất nhiều, giảm không gian, giảm chi phí đầu t−, và có thể còn giảm đ−ợc cả sự tổn thất năng l−ợng. Nh−ợc điểm: - Vật liệu sấy dễ bị nứt, cong vênh do bề mặt vật liệu sấy nhanh chóng bị đốt nóng tạo ra sự chênh lệch lớn về nhiệt độ bề mặt và bên trong vật liệu sấy, đặc biệt đối với vật liệu sấy mỏng. Vì vậy, để tránh hiện t−ợng trên cần phải căn cứ vào tính chất vật liệu sấy, yêu cầu của sản phẩm mà sử dụng nguồn tia bức xạ, điều chỉnh c−ờng độ bức xạ và thời gian bức xạ cho phù hợp. Ví dụ: tạo ra một chu kỳ gia nhiệt thích hợp với vật liệu sấy hoặc sấy ngắt quãng. - Để đảm bảo an toàn cho vật liệu sấy trong thiết bị sấy bức xạ cần trang bị các thiết bị bảo vệ, thiết bị điều khiển chế độ sấy. 33 1.4.3. ứng dụng bức xạ hồng ngoại để làm khô nông sản - thực phẩm 1.4.3.1. Ngoài n−ớc Sandu và Iliaxốp [78], [102], [103] đã phân tích việc ứng dụng sấy bằng bức xạ hồng ngoại trong công nghiệp chế biến l−ơng thực và thực phẩm, đã phát biểu ý kiến về những hiện t−ợng chuyển khối và những quy trình ứng dụng. Yamazaki và các đồng nghiệp [86], [87], [93], [95], [102] đã nghiên cứu về việc sấy bằng bức xạ hồng ngoại đối với l−ơng thực, thực phẩm, sử dụng những chất gêlatin làm chất liệu cho mô hình. Những yếu tố ảnh h−ởng đến tốc độ sấy và sự co ngót, kể cả những đặc tính bức xạ của sản phẩm và của thiết bị phát nhiệt, đ−ợc xem xét kỹ bằng thí nghiệm và so sánh với một mô hình sấy đơn giản. afzal và Abe [27], [28] đã nghiên cứu sự kết hợp giữa sấy đối l−u và sấy bằng bức xạ hồng ngoại đối với thóc. Tác dụng của c−ờng độ bức xạ, của nhiệt độ không khí và tốc độ không khí đối với động học sấy đã đ−ợc đánh giá qua thí nghiệm. Fasina và các đồng nghiệp [42] đã đề xuất một tập hợp những ph−ơng trình về sự truyền nhiệt và khối l−ợng nhằm áp dụng việc sấy bằng bức xạ hồng ngoại cho những sản phẩm nông nghiệp. Những kết quả tính toán đ−ợc so sánh với những số liệu thí nghiệm về nhiệt độ bề mặt và hàm l−ợng độ ẩm trung bình của hạt lúa mạch trên một băng tải rung đ−ợc đặt d−ới bức xạ hồng ngoại. Afzal và Abe [28] đã thực hiện những thí nghiệm về sấy, sử dụng một thiết bị phát tia hồng ngoại để quan sát những đặc điểm khi bị sấy khô của những lát khoai tây. Tác giả đã tìm hiểu tác dụng của một số thông số đối với tốc độ sấy và quá trình thay đổi nhiệt độ của sản phẩm. Dostie và các đồng nghiệp [40], [41] đã tiến hành một cuộc nghiên cứu thí điểm về việc sấy kết hợp giữa đối l−u với bức xạ hồng ngoại ngắt quãng cho những tấm panel gỗ cách điện và gạch lát cách âm. Dostie đã thực hiện một nghiên cứu bằng lý thuyết và bằng thí nghiệm về sấy tấm bằng vật liệu 34 cách điện bằng cách kết hợp những công nghệ này một cách tối −u nhằm đạt mục đích tiết kiệm. Mặc dầu những xem xét trên đây ch−a thật đầy đủ, nh−ng đã bao gồm phần lớn những công trình nghiên cứu mới đây về sấy bằng bức xạ hồng ngoại. Những công trình nghiên cứu về sấy bằng bức xạ hồng ngoại còn t−ơng đối ít đ−ợc báo cáo. Những ứng dụng chủ yếu là cho sơn, l−ơng thực, thực phẩm và những lớp mỏng nh− giấy hoặc hàng dệt, mặc dầu cũng đã có những nghiên cứu trên những chất liệu khác. Những kỹ thuật ứng dụng trong thí nghiệm cũng nh− trong việc xây dựng mô hình th−ờng hay gặp trong lĩnh vực sấy, và vì vậy không có gì đặc biệt, ngoại trừ một số ph−ơng pháp đ−ợc miêu tả tại công trình nghiên cứu của Le Person và các đồng nghiệp [58] đ−ợc đề cập trong phần tham khảo nói trên. Trong lĩnh vực sấy nói chung, đặc biệt vì sự hạn chế về tài liệu, sấy bằng bức xạ hồng ngoại là một lĩnh vực còn đòi hỏi nhiều công sức trong việc nghiên cứu. Iliaxốp và các cộng sự [103] đã xây dựng đ−ợc các ph−ơng trình tính tr−ờng nhiệt độ trong thực phẩm khi sấy bằng bức xạ hồng ngoại, các thí nghiệm tổng quát trong các công trình [93], [94], [95] về sự phân bố nhiệt độ trong đối t−ợng sấy, cho thấy sự tăng nhiệt độ nhanh ở độ sâu 1 - 6mm. ở độ sâu này nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ bề mặt 1 - 100C, một số tr−ờng hợp đạt đến 200C. Nghiên cứu sự lan truyền bức xạ hồng ngoại trong các loại thực phẩm nhiều lớp nh− mì, mạch, lúa, ngô v.v... các đánh giá [100] cho thấy rằng do các loại thực phẩm dạng hạt có một số vỏ và vỏ hạt, các lớp vỏ bảo vệ mầm có các tính chất quang học khác nhau nên hấp thụ và phân tán các bức xạ hồng ngoại khác nhau, không những ảnh h−ởng đến các đặc tính tr−ờng nhiệt độ mà còn ảnh h−ởng đến sự phân bố nhiệt độ và chất l−ợng của sản phẩm. Quá trình sấy bức xạ hồng ngoại dẫn đến sự tạo ra hệ nhiều lớp khi có sự thay đổi ranh giới chuyển pha trong thời gian đầu, đối t−ợng sấy sinh ra sự dẫn nhiệt ẩm [61], [62] trong vật thể tạo ra hiện t−ợng vùng (khô) vùng ẩm và vùng chuyển pha (vùng bốc hơi). Trong sản phẩm thực 35 phẩm sự chuyển đổi theo cấu trúc, theo hàm l−ợng ẩm, theo đặc tính quang học có chọn lọc, hấp thụ và tán xạ, truyền bức xạ hồng ngoại bên trong các lớp, thúc đẩy di chuyển nhanh vùng bay hơi. Iliaxốp [103] đã nghiên cứu tìm ra quy luật suy giảm chùm tia hồng ngoại trong hệ nhiều lớp. Eplolinck đ−a ra cách tính năng l−ợng bức xạ cần thiết cho sản phẩm trong thủ pháp kỹ thuật ánh sáng kết hợp với thủ pháp tính toán nhiệt trong kỹ thuật nhiệt. Hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt bức xạ hồng ngoại không chỉ phụ thuộc vào hiệu nhiệt độ giữa vật phát và vật thu mà chủ yếu phụ thuộc vào b−ớc sóng của vật phát bức xạ hồng ngoại và tính chất của vật thu. Các chất khác nhau trong vật thu hấp thụ năng l−ợng bức xạ hồng ngoại tối đa (gần nh− tuyệt đối) với những giải sóng nhất định khác nhau. Dựa trên tính chất đó, Rakhimốp [104], [105] và các cộng sự của ông đã chế tạo ra các loại gốm có khả năng hấp phụ năng l−ợng trong miền phổ rộng, bức xạ trong vùng hồng ngoại có miền phổ hẹp cho tr−ớc. Gốm đ−ợc chế tạo với công nghệ phức tạp ở nhiệt độ cao tới 30000C trong lò nhiệt mặt trời công suất tới 1 triệu kW. Điều kiện đó cho phép thu đ−ợc các vật liệu siêu sạch vì đã sử dụng năng l−ợng dạng tia để nung chảy. Quy trình công nghệ tạo ra các loại gốm này diễn ra trong vòng 6 tháng. Ông đã sáng chế ra nhiều loại gốm phát bức xạ hồng ngoại với các b−ớc sóng khác nhau, ứng dụng vào các lĩnh vực khác nhau trong nền kinh tế quốc dân. Trong đó có loại gốm phát bức xạ hồng ngoại dùng trong công nghệ sấy. Với b−ớc sóng 1ữ 16 àm. Với giải b−ớc sóng trên, n−ớc trở thành "vật đen", hấp thụ hầu nh− toàn bộ năng l−ợng bức xạ, còn các thành phần hợp chất hữu cơ khác có trong vật liệu sấy trở thành "trong suốt", hầu nh− không hấp thụ năng l−ợng nên bảo toàn tính chất ban đầu. 36 1.4.3.2. Trong n−ớc ở Việt Nam, sấy bức xạ hồng ngoại mới đ−ợc ứng dụng trong mấy năm gần đây. Theo thông báo [26], các tác giả đã nghiên cứu thí nghiệm sấy các loại rau củ quả nh− (mùi, hành, cà chua, chuối, xoài, dứa, cà rốt, khoai tây, khoai lang) các loại hạt nh− (cà phê, ngô, thóc) - đã thiết kế, chế tạo máy sấy bức xạ hồng ngoại năng suất 10ữ100 kg/mẻ đến 1T/h (đã đ−ợc hội đồng khoa học của bộ Nông nghiệp & Phát triển nông thôn công nhận các loại mẫu trên và cho áp dụng thử vào sản xuất). Đặc biệt đối với sấy hạt giống chất l−ợng hạt giống đ−ợc cải thiện đáng kể. Hiện nay việc sấy hạt giống và khử trùng hạt giống có những ph−ơng pháp sấy rất tiêu tốn năng l−ợng, hoặc các hiệu ứng có hại của các chất diệt côn trùng, các ph−ơng pháp này đều gây ảnh h−ởng đến sức khoẻ và môi tr−ờng. Máy sấy có sử dụng các thanh gốm hồng ngoại đã góp phần làm giảm năng l−ợng tiêu thụ cần thiết và giảm thời gian sấy. Ph−ơng pháp này an toàn tuyệt đối bởi vì nó không sử dụng bất kỳ một loại chất độc hay hoá chất nào để bảo quản. Công nghệ này không chỉ làm cải thiện chất l−ợng hạt giống mà còn làm giảm khả năng bị tấn công bởi nấm mốc và vi sinh vật. Nhờ công nghệ này mà hạt giống đ−ợc giữ trong 1 thời gian dài. Những số liệu thực nghiệm ở bảng 1.2 cho ta thấy rằng sau khi sấy/khử trùng hạt có khả năng nẩy mầm và sức nẩy mầm cao. Bảng 1.2. Kết quả thí nghiệm sấy một số giống lúa Tỷ lệ nảy mầm (%) Sức nảy mầm (%) Giống Sấy hồng ngoại 450C Tủ sấy TN 450C Phơi nắng Sấy hồng ngoại 450C Tủ sấy TN 450C Phơi nắng P4 98,2 98 94,1 96,4 84 85,7 C70 98,7 97,9 93,9 97,1 83 86,3 CR203 97,1 - 94,4 95,4 - 86,7 Nếp 352 98 - 93,7 95,1 - 87,6 37 Qua kết quả thí nghiệm cũng nh− thực tế cho thấy [26]: Thời gian sấy giảm từ 1,5-3 lần so với các loại sấy thông th−ờng, chất l−ợng sản phẩm đảm bảo. Các loại vitamin, màu sắc, h−ơng vị tự nhiên và các hợp chất hữu cơ khác đ−ợc bảo toàn, thời gian bảo quản kéo dài ở điều kiện bảo quản thông th−ờng (không dùng hoá chất) vì sấy bằng bức xạ hồng ngoại ngoài tác dụng sấy khô còn có tác dụng tiệt trùng. Tuy nhiên, công trình nêu trên ch−a nghiên cứu một cách có hệ thống các yếu tố ảnh h−ởng chất l−ợng sản phẩm sấy và chi phí cho quá trình sấy bằng bức xạ hồng ngoại trong lĩnh vực sấy, ch−a xác định chi phí năng l−ợng của sản phẩm sau khi sấy đối với một số giống cây có hạt. Sấy hạt giống sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại là một h−ớng mới có nhiều triển vọng khắc phục đ−ợc các nh−ợc điểm của kỹ thuật sấy thông th−ờng khác, có thể đáp ứng đ−ợc nhu cầu của sản xuất để làm khô nông sản nói chung và làm khô hạt giống nói riêng. Các thông số cơ bản ảnh h−ởng đến chi phí cho quá trình sấy và chất l−ợng của hạt nông sản là c−ờng độ và mật độ tr−ờng bức xạ bao gồm các thông số cơ bản sau: chiều dày lớp sấy, khoảng cách từ các thanh bức xạ hồng ngoại đến bề mặt lớp thóc sấy, khoảng cách giữa các thanh bức xạ hồng ngoại. Tuy nhiên, thực tế cho thấy các số liệu trên ở Việt Nam còn rất thiếu và không đầy đủ. Do vậy, để có số liệu thiết kế thiết bị sấy sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại cần phải nghiên cứu một số thông số cơ bản và bằng thực nghiệm để xác định các thông số đó. 38 1.4.4. Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu * Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu cơ sở khoa học của sự truyền nhiệt bằng bức xạ hồng ngoại, nhằm xác định các thông số cơ bản ảnh h−ởng đến chi phí năng l−ợng và chất l−ợng sản phẩm sau quá trình sấy. * Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu một số đặc điểm của hạt lúa lại F1 có liên quan đến quá trình sấy. - Nghiên cứu sự phân bố năng l−ợng bức xạ hồng ngoại trong lớp thóc làm cơ sở cho việc xác định các thông số cơ bản về cấu tạo và chế độ làm việc của thiết bị sấy thóc giống. - Nghiên cứu thực nghiệm xác định giá trị tối −u của một số thông số làm cơ sở cho nghiên cứu thiết kế chế tạo thiết bị sấy. - Nghiên cứu áp dụng thiết bị sấy trong thực tế sản xuất. 39 Ch−ơng II. Đối t−ợng và ph−ơng pháp nghiên cứu 2.1. Đối t−ợng nghiên cứu Nghiên cứu ảnh h−ởng của một số yếu tố đến chi phí điện năng và khả năng nảy mầm của thóc giống lúa lai F1 đ−ợc gieo trồng ở Việt Nam trên thiết bị sấy sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại. Sơ đồ nguyên lý cấu tạo thiết bị sấy sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại (ký hiệu SHN-100) đ−ợc thể hiện trên hình 2.1. 10 12 11 8 7 6 5 4 3 2 1 9 Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy thí nghiệm sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại 1. Khung máy, 2. Giá đỡ khay, 3. Khay sấy, 4. Ezector(thoát ẩm), 5. Giá đỗ thanh gốm hồng ngoại, 6. Thanh gốm hồng ngoại, 7. Tủ điều khiển, 8. Cửa thoát ẩm, 9. Cửa tủ sấ._. “Heat transfer and Energy efficiency in infrared paper dryers, Department of chemkal Engineering 1 lund university”, Sweden, pp. 5-18. 64. Maneval J. E., McCarthy M. J., Whitaker S. (1991), “Studies of the Drying Process by NMR Imaging”, Drying ’91-Proceeding of the International Drying Symposium, pp. 170-180. 65. Mujumdar A. S. (1980), “Advances in drying”, vol.1, Hemisphere Publishing Corporation, ISBN 0-89116-185-6. 66. Mujumdar A.S. (1995), “Handbook of Industrial Drying 2nd ed”, Marcel Dekker; ISBN 0-8247-8996-2. 67. Mujumdar Arun.S. (1995), Infrared Drying, university Montreal, Quebec, Canada, pp. 567-585. 68. Mujumdar A.S., Akriditis C. B., Marinos-Kouris D., Saravakos G. D. (1998), Drying 98- Proceedings of the 11th International Drying Symposium, Greece. 118 69. M. Bibauer W., T. Stahl., W. Hofacker and G. Reisinger (1982), Compression of low temperature wheat drying management, procedures ASAE, Paper, No. 82 - 3006, American Society of Agricultural Engineers, St. Joseph, Michigan. 70. M. Bibauer W., H. Kuppinger., H. M. Mửller and M. Thaler, High-low temperature drying of corn. ASAE paper (1981), No. 81-3012 American Society of Agricultural Engineering St. Joseph, Michigan. 71. Navarri P., Andrieu J., Gevaudan A. (1998), “Studies on infrared and convective drying of non hygroscopic solids”, Drying ’92-Proceedings of the 11th International Drying Symposium, pp. 1891-1898, Greece. 72. Navarri P., Gevaudan A., Andrieu J. (1992), “Preliminary study of drying of coated film heated by infrared radiation”, Dryings of the 8th International Drying Symposium, pp. 722-728. 73. Nellist M. E. (1978), "Safe temperature for drying Grain", National institute of Agriculture Engineer. Wheat Park. Silsoe, Bedford. U.K. 74. Nilsson L., Mồnsson S., Stenstrửm S., Measuring Moisture Gradients in Cellulose Fibre Networks (1996), “An application of the Magnetic Resonance Imaging Method”, Journal of Pulp and Paper Science, vol. 22, no. 2, pp. 48-52, 75. Parrouffe J. M., Dostie M., Navarri P., Andrieu J., Mujumdar A. S. (1997), “Heat and mass transfer in combined infrared and convective drying”, Drying Technology, vol. 15, no. 2, pp. 339-425. 76. Pửsler M., Klinke E., Kunz G. (1997), “Drying of Organic Coatings by Infrared Radiation of Different Wavelengths”, Radtech Europe. 7th conference on radiation curing, Maastricht, pp. 462-468. 77. Rossman E. C. (1949), freezing injury of maize seed plant physiology, American-Society of Agricultural Engineers, 24: 629-656. 78. Sandu C. (1986), “Infrared Radiative Drying in Food Engineering”, A Process Analysis; Biotechnology Progress, vol. 2, no. 3, pp. 109-119. 119 79. Sain M. M., Marchildon L., Dancault C., Pednault C., Robard S. (1995), Infrared enegy transfer mechanism in constant and falling rate periods of paper drying and its correlation to drying efficiency; Appita, vol.48, no. 5, pp. 351-357. 80. Silventoinen I., Palosaari S. (1982), “Drying of Water-Borne Coating”, Acta Polytechnica Scandinavica, pp. 1-22, Helsinki. 81. Surtherland J. W. (1989), “ The potential for grain aeration and drying in the ASEAN region”, Grain postharvest systems, Proceeding of the Tenth ASEAN technical Seminar on grain postharvest echnology, edited by Mesa, Bangkok Thailand, Asean hops Postharvest Program , pp. 52-58. 82. Tumambing J. A. (1986), “Drying technologies for maintaining grain quality in the Philippines”, ACIAR, Proceeding. No. 15. Preserving grain quality by aeration and in storage drying, pp. 179-191. 83. Vainberg R. Sh., Grabovsky V. V. (1986), “Thermoradiation drying of a thin surface film on a translucent substrate”, Drying Technology, vol. 4, no. 1, pp. 101-109. 84. Wadsử I., Wadsử L. (1997), “A second generation twin double microcalorimeter. Measurements of sorption isotherms, heats of sorption kinetics”, Journal of Thermal Analysis, vol. 49, pp. 1045- 1052. 85. Whitaker S. (1999), “The Method of Volume Averaging”, Kluwer Academic Publishe, ISBN 0-7923-5486-9. 86. Yamazaki Y., Hashimoto A., Honda T., Shimizu M. (1992), “Optical characteristics of gelatinous materials in infrared radiation drying”, Drying ’92 -Proceedings of the 8th International Drying Symposium, pp. 712-721. B.Tiếng Nga 120 87. Авраменко В.Н., Еседьсон М.П., Зацка А. А.(1974), Инфракрасныe спектры пищевых продуктов, М. Пищевая промышленность, 174 с. 88. Адрианов В. Н. (1972), Основы радиационного и сложного теплообмена, М. Энергия, 464 с. 89. Барщевскй Б. У. (1968), Квантово-оптические явления, М. Высшая школа, 118 c. 90. Брамсон М. А. (1965), Инфракрасное излучение нагретых тел, М. Наука, 222 с. 91. Борехт Р., Виц И. (1968), Техника инфракрасного нагрева, Госудаственное энергетическое издательство, Москва. 92. Гершун А. А. (1958), Избранные труды по фотомтрии и светотехнике, М. Госнздат физ.-мат.лит-ры, 548 с. 93. Гинзбург А. С. (1966), Инфракрасная техника в пищевой промышленности, М. Пищевая промышленность, 407с. 94. Гинзбург А. С. (1973), Основы теории и техники сушки пищевых продуктов, М. Пищевая промышленнсть, 528 с. 95. Левитин Л. Б. (1981), Применение инфракрасного техники в народом хозяйстве, Энергоиздат. Ленингр. Отд-ние. 96. Долацис Я. А., Ильясов С. Г., Красников В. В. (1973), Воздействие ИК-излучения на древесину, Рнга: Зннатне, 275 с. 97. Королев ф. А. (1996), Теоретическая оптика, М. Высшая школа, 555с. 98. Ллойд дж. (1978), Системы тепловидеия, М. Мир, 406c. 99. Марков М. Н. (1968), Приемники инфракрасного излучения, М, Наука, 168 c. 100. Морис Дерибере (1959), Рактические применения инфракрасных лучей, М. Госудаственное энергетическое, 404c. 121 101. Иванов А. П. (1969), Оптика рассеивающцх сред, Минск Наука и техника, 592с. 102. Ильясов С. Г., Красников В. В. (1972), Методы определения оптических и терморадиационных характеристик пищевых продуктов, М. Пищевая промышленность, 175 с. 103. Ильясов С. Г., Красников В. В. (1978), Физические основы инфракрасного обучения пищевых продуктов, М. Пищевая промышленность, 350с. 104. Рустам Рахимов (1999), "Инфракрасное излучение - мягкий подход k лечению боезней", Керамические материалы и методика их применения в медицине разработаны кандидатом биологических наук Рустамом Рахимовым, Научно - производственный цетр, Ташкент. 105. Рустам Рахимов. (1999), "Резонанская терапия ", Керамические материалы и методика их применения в медицине разработаны кандидатом биологических наук Рустамом Рахимовым, Научно - производственный цетр, Ташкент. 106. Саржевсий А. M., Севченко А. Н. (1971), Анизотропия поглощения и испускания света 107. Юхневич Г. В. (1973), Инфракрасная спектроскопия воды, М. Наука, 208c. 122 Phần phụ lục 123 Phụ lục 1. Tính toán hệ số suy yếu và hệ số hấp thụ trung bình Chuẩn số Sucto 0.1 0.5 0.9 Chiều dày l(mm) 15 20 25 30 15 20 25 30 15 20 25 30 Tl 0.15 0.236 0.422 Rl 0.025 0.162 0.403 R 0.026 0.172 0.519 λL 0.1264 0.0948 0.0758 0.0632 0.0943 0.0707 0.0566 0.0471 0.0418 0.0314 0.0251 0.0209 λk 0.1200 0.0900 0.0720 0.0600 0.0666 0.0500 0.0400 0.0333 0.0132 0.0099 0.0079 0.0066 124 Phụ lục 2: Tính toán sự phân bố năng l−ợng trên bề măt vật liệu sấy ứng với: Y = 60 mm x 0 20 40 60 80 100 120 22 yx + 6 6,3246 7,2111 8,4853 10 11,6619 13,4164 α 1,4506 1,4442 1,4268 1,402 1,3727 1,3410 1,308 2 2sin αα + 1,5689 1,5687 1,5681 1,5669 1,5650 1,5622 1,5583 cos γ 1 0,9487 0,8320 0,7071 0,6 0,5145 0,4472 E 81,6142 73,4442 56,499 40,7546 29,308 21,5112 16,212 Y = 65 mm x 0 20 40 60 80 100 120 22 yx + 6,5 6,8007 7,6322 8,8459 10,3078 11,926 8 13,6473 α 1,4408 1,4349 1,4186 1,3949 1,3668 1,3360 1,3037 2 2sin αα + 1,5686 1,5684 1,5678 1,5664 1,5645 1,5617 1,5577 cos γ 1 0,9558 0,8516 0,7348 0,6305 0,545 0,4763 E 75,3218 68,8005 54,6007 40,6117 29,8687 22,273 16,9736 Y = 70 mm x 0 20 40 60 80 100 120 22 yx + 1,4309 7,2801 8,0623 9,2195 10,6301 12,2065 13,8924 α 1,373 1,4255 1,4102 1,3877 1,3606 1,3306 1,2991 2 2sin αα + 1,5682 1,568 1,5673 1,5660 1,5640 1,5609 1,5570 cos γ 1 0,9615 0,8682 0,7593 0,6585 0,5735 0,5038 E 69,9237 64,636 52,6792 40,2549 30,2396 22,8896 17,6234 125 Y = 75 mm x 0 20 40 60 80 100 120 22 yx + 7,5 7,7621 8,5 9,6046 10,9658 12,5 14,1509 α 1,4212 1,4161 1,4017 1,3803 1,3542 13,3251 1,2943 2 2sin αα + 1,5679 1,5620 1,5669 1,5655 1,5534 1,5604 1,5563 cos γ 1 0,9662 0,8823 0,7808 0,6839 0,6 0,53 E 65,2497 60,6862 50,7645 39,7223 30,2382 23,3775 18,1931 Y = 80 mm x 0 20 40 60 80 100 120 22 yx + 8 8,2462 8,9443 10 11,3137 12,8062 14,422 α 1,4114 1,4066 1,3931 1,3727 1,3476 1,3194 1,2893 2 2sin αα + 1,5674 1,5661 1,5664 1,5650 1,5628 1,5597 1,5556 cos γ 1 0,9701 0,8944 0,8 0,7071 0,6247 0,5547 E 61,5032 57,5047 48,8888 39,0774 30,4860 23,7473 18,6746 Y= 70 mm, X= 120 mm E1 65,2497 60,6862 E150,7645 39,7223 30,2382 23,3775 18,1931 E2 18,1931 23,3775 30,2382 39,7223 50,7645 60,6862 65,2497 Y= 70 mm, X= 100 mm E1 65,2497 60,6862 50,7645 39,7223 30,2382 23,3775 E2 23,3775 30,2382 39,7223 50,7645 60,6862 65,2497 Y= 70 mm, X= 80 mm E1 65,2497 60,6862 50,7645 39,7223 30,2382 E2 30,2382 39,7223 50,7645 60,6862 65,2497 126 Phụ lục 3. Xác định năng l−ơng tiêu hao trong quá trình sấy Năng suất bức xạ từ nguồn: ( ) A ttrqE km αδδ −+= max2.. Trong đó: mq c−ờng độ bay hơi ẩm trung bình mq =1,31 kg H2O/m2h r nhiệt ẩm hoá hơi của ẩm lỏng ở 450C R = 2394 Kj/kg δ tỷ số diện tích bề mặt vật sấy với bề mặt nhận bức xạ δ = 0,5 m2/m2 tk nhiệt độ không khí trong buồng sấy tk =35 0C t1 nhiệt độ vật liệu lúc đ−a vào buồng sấy t1 = 250C t2max nhiệt độ vật liệu sau khi sấy tk = 45 0C α hệ số trao đổi nhiệt tổng cộng α =18 Kcal/m2h0K = 75,384 Kj/m2h 0K A hệ số hấp thụ lkeA .1 λ−−= = =0,918 .251,01 ⋅−− e ( ) 5884,0 918,0 5,0348,7535455,0239431,1 =⋅⋅−+⋅⋅=E kw/m2 Năng l−ợng tiêu hao trong quá trình sấy: kwSEQ 884,5 8,075,0 6584,0 21 0 =⋅ ⋅=⋅= ηη Số l−ợng thanh gốm: 71 0825,08,075,0 65884.0 21 0 ≈⋅⋅ ⋅=⋅⋅ ⋅= p SEn ηη Khoảng cách giữa các thanh gốm: mmm E p B 920917,0 884,5 0825,08,075,021 ≈=⋅⋅== ηη 127 Sơ đồ điện và cách bố trí các thanh gốm hồng ngoại: R RR R RR Bộ điều chỉnh Ω= 30R 160-180V 128 Phụ lục 4.Giá trị thí nghiệm xác định ảnh h−ởng của chiều dày lớp thóc sấy ( x1 đến Y1, Y2) ket qua x1- y1 DANH GIA DONG NHAT PHUONG SAI tieu chuan kohren G = 0.3373 he so tu do m = 5 he so tu do n-1= 2 tieu chuan tra bangk ( 5%) G = 0.6838 KET QUA XU LY SO LIEU BANG SO 1 Theo cong thuc so Rank 2 Eqn 8002 y=a+bexp(-x/c) [Exponential] a = 0.561628369 b = 0.033327220 c = -16.7023053 Phuong sai theo do luong Sb = 0.00166 He so tu do kb = 10 Phuong sai tuong thich Sa = 0.00252 He so tu do ka = 2 Tieu chuan FISHER F = 1.5188 No X Y1 Y2 Y3 Ytb ( )2 1 ∑ = ⋅− n i jij YY Y 2yiS 1 35 0.870 0.790 0.890 0.850 0,0056 0.833 0.0028 2 40 0.880 0.920 0.900 0.900 0,0008 0.927 0.0004 3 45 1.000 1.080 1.070 1.050 0,0038 1.055 0.0019 4 50 1.250 1.290 1.210 1.250 0,0032 1.227 0.0016 5 55 1.490 1.450 1.410 1.450 0,0032 1.459 0.0016 Ket qua x1-y2 DANH GIA DONG NHAT PHUONG SAI tieu chuan kohren G = 0.2813 he so tu do m = 5 he so tu do n-1= 2 tieu chuan tra bangk ( 5%) G = 0.7885 KET QUA XU LY SO LIEU BANG SO 1 Theo cong thuc so Rank 10 Eqn 1003 y=a+bx+cx2 a=13.677143 b=3.5971429 c=-0.038857143 Phuong sai theo do luong Sb = 0.19200 He so tu do kb = 10 Phuong sai tuong thich Sa = 0.23794 He so tu do ka = 5 Tieu chuan FISHER F = 1.2393 No X Y1 Y2 Y3 Ytb ( )2 1 ∑ = ⋅− n i jij YY Y 2 yiS 1 35 92.100 92.400 91.800 92.100 0.18 91.977 0.09 2 40 95.000 94.500 95.500 95.000 0.5 95.391 0.25 3 45 97.000 97.000 97.900 97.300 0.54 96.863 0.27 4 50 96.200 95.800 96.600 96.200 0.32 96.391 0.16 5 55 93.500 94.200 94.300 94.000 0.38 93.977 0.19 129 Phụ lục 5.Giá trị thí nghiệm xác định ảnh h−ởng của khoảng cách từ thanh gốm hồng ngoại đến bề mặt lớp thóc sấy ( x2 đến Y1, Y2) Ket qua x2-y1 DANH GIA DONG NHAT PHUONG SAI tieu chuan kohren G = 0.2775 he so tu do m = 5 he so tu do n-1= 2 tieu chuan tra bangk ( 5%) G = 0.6838 KET QUA XU LY SO LIEU BANG SO 1 Theo cong thuc so Rank 1 Eqn 8002 y=a+bexp(-x/c) [Exponential] a=0.087520315 b=0.040507781 c=-22.091452 Phuong sai theo do luong Sb = 0.00183 He so tu do kb = 10 Phuong sai tuong thich Sa = 0.00010 He so tu do ka = 2 Tieu chuan FISHER F = 0.0566 No X Y1 Y2 Y3 Ytb ( )2 1 ∑ = ⋅− n i jij YY Y 2 yiS 1 60 0.750 0.650 0.710 0.703 0.00507 0.700 0.002535 2 65 0.860 0.820 0.870 0.850 0.0014 0.856 0.0007 3 70 1.080 1.070 1.000 1.050 0.0038 1.051 0.0019 4 75 1.310 1.250 1.340 1.300 0.0042 1.295 -0.0021 5 80 1.550 1.620 1.630 1.600 0.0038 1.602 0.0019 Ket qua xu ly X2-y2 DANH GIA DONG NHAT PHUONG SAI tieu chuan kohren G = 0.2825 he so tu do m = 5 he so tu do n-1= 2 tieu chuan tra bangk ( 5%) G = 0.7885 KET QUA XU LY SO LIEU BANG SO 1 Theo cong thuc so Rank 3 Eqn 1423 y=1/(a+bx+cx2) a=0.046735479 b=-0.0010291244 c=7.2630301e-06 Phuong sai theo do luong Sb = 0.38784 He so tu do kb = 10 Phuong sai tuong thich Sa = 0.85422 He so tu do ka = 2 Tieu chuan FISHER F = 2.2025 No X Y1 Y2 Y3 Ytb ( )2 1 ∑ = ⋅− n i jij YY Y 2 yiS 1 60 89.700 89.600 90.700 90.000 0.74 89.808 0.37 2 65 93.720 94.440 95.200 94.453 1.096 94.979 0.548 3 70 97.000 97.810 98.300 97.703 0.862 97.223 0.431 4 75 96.000 95.290 96.530 95.940 0.774 96.101 0.387 5 80 91.800 91.400 92.300 91.833 0.406 91.836 0.203 130 Phụ lục 6.Giá trị thí nghiệm xác định ảnh h−ởng của khoảng cách giữa các thanh gốm hồng ngoại ( x3 đến Y1, Y2) Ket qua xu ly X3-y1 DANH GIA DONG NHAT PHUONG SAI tieu chuan kohren G = 0.2386 he so tu do m = 5 he so tu do n-1= 2 tieu chuan tra bangk ( 5%) G = 0.6838 KET QUA XU LY SO LIEU BANG SO 1 Theo cong thuc so Rank 1 Eqn 8002 y=a+bexp(-x/c) [Exponential] a=0.46437351 b=10.140916 c=35.09342 Phuong sai theo do luong Sb = 0.00176 He so tu do kb = 10 Phuong sai tuong thich Sa = 0.00012 He so tu do ka = 2 Tieu chuan FISHER F = 0.0681 No X Y1 Y2 Y3 Ytb ( )2 1 ∑ = ⋅− n i jij YY Y 2 yiS 1 80 1.460 1.540 1.500 1.500 0.0032 1.502 0.0016 2 90 1.260 1.210 1.280 1.250 0.0026 1.245 0.0013 3 100 1.070 1.000 1.080 1.050 0.0038 1.051 0.0019 4 110 0.940 0.850 0.910 0.900 0.0042 0.906 0.0021 5 120 0.830 0.820 0.750 0.800 0.0038 0.796 0.0019 Ket qua xu ly X3-y2 DANH GIA DONG NHAT PHUONG SAI tieu chuan kohren G = 0.2532 he so tu do m = 5 he so tu do n-1= 2 tieu chuan tra bangk ( 5%) G = 0.7885 KET QUA XU LY SO LIEU BANG SO 1 Theo cong thuc so Rank 2 Eqn 1423 y=1/(a+bx+cx2) Phuong sai theo do luong Sb = 0.22041 He so tu do kb = 10 Phuong sai tuong thich Sa = 0.35609 He so tu do ka = 2 Tieu chuan FISHER F = 1.6156 No X Y1 Y2 Y3 Ytb ( )2 1 ∑ = ⋅− n i jij YY Y 2 yiS 1 80 91.400 90.500 91.100 91.000 0.42 90.963 0.21 2 90 94.180 94.633 95.233 94.682 0.558 94.871 0.279 3 100 97.000 97.000 97.900 97.300 0.54 96.961 0.27 4 110 97.140 96.200 96.750 96.697 0.446 96.976 0.223 5 120 95.200 95.200 94.600 95.000 0.24 94.915 0.12 131 Phụ lục 7.Giá trị thí nghiệm khoả sát ảnh h−ởng của nhiệt độ bề mặt lớp thóc sấy (x4 đến Y1, Y2) Ket qua xu ly X4-y1 DANH GIA DONG NHAT PHUONG SAI tieu chuan kohren G = 0.3835 he so tu do m = 5 he so tu do n-1= 2 tieu chuan tra bangk ( 5%) G = 0.7885 KET QUA XU LY SO LIEU BANG SO 1 Theo cong thuc so Rank 7 Eqn 8002 y=a+bexp(-x/c) [Exponential] a=-0.56509866 b=4.6633253 c=40.03611 Phuong sai theo do luong Sb = 0.00297 He so tu do kb = 10 Phuong sai tuong thich Sa = 0.00682 He so tu do ka = 2 Tieu chuan FISHER F = 2.2957 No X Y1 Y2 Y3 Ytb ( )2 1 ∑ = ⋅− n i jij YY Y 2 yiS 1 35 1.410 1.430 1.360 1.400 0.0026 1.380 0.0013 2 40 1.040 1.120 1.140 1.100 0.0056 1.152 0.0028 3 45 0.912 1.000 1.030 0.981 0.00752 0.950 0.00376 4 50 0.860 0.800 0.710 0.790 0.0114 0.772 0.0057 5 55 0.560 0.630 0.610 0.600 0.0026 0.615 0.0013 Ket qua xu ly X4-y2 DANH GIA DONG NHAT PHUONG SAI tieu chuan kohren G = 0.4624 he so tu do m = 5 he so tu do n-1= 2 tieu chuan tra bangk ( 5%) G = 0.7885 KET QUA XU LY SO LIEU BANG SO 1 Theo cong thuc so Rank 18 Eqn 1003 y=a+bx+cx2 a=20.868931 b=3.6636854 c=-0.043790571 Phuong sai theo do luong Sb = 0.27171 He so tu do kb = 10 Phuong sai tuong thich Sa = 0.21137 He so tu do ka = 5 Tieu chuan FISHER F = 0.7779 No X Y1 Y2 Y3 Ytb ( )2 1 ∑ = ⋅− n i jij YY Y 2 yiS 1 35 95.560 95.020 95.440 95.340 0.16 95.454 0.08 2 40 97.000 97.500 98.000 97.500 0.50 97.351 0.25 3 45 97.000 97.000 97.900 97.300 0.54 97.059 0.27 4 50 95.020 93.600 93.700 94.107 1.256 94.577 0.628 5 55 90.400 90.200 89.700 90.100 0.26 89.905 0.13 132 Mục lục Trang Lời cam đoan........................................................................................................... ii Lời cảm ơn .............................................................................................................. iii Mục lục.....................................................................................................................iv Bảng ký hiệu............................................................................................................vi Danh mục bảng..............................................................................................viii Danh mục hình.................................................................................................ix Mở đầu.......................................................................................................................1 Ch−ơng I. Tổng quan .............................................................................................3 1.1. Các tính chất của hạt thóc ...................................................................... 3 1.2. Chế biến thóc giống................................................................................ 6 1.3. Các ph−ơng pháp làm khô ...................................................................... 7 1.4. Sấy thóc giống bằng bức xạ hồng ngoại............................................... 16 Ch−ơng II. Đối t−ợng và ph−ơng pháp nghiên cứu .......................................39 2.1. Đối t−ợng nghiên cứu ........................................................................... 39 2.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu ...................................................................... 41 2.2.1. Ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố .................... 41 2.2.2. Ph−ơng pháp nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố ...................... 41 2.2.3. Ph−ơng pháp nghiên cứu tối −u tổng quát................................. 46 2.3. Ph−ơng pháp xác định các thông số của thiết bị sấy............................ 48 2.4. Ph−ơng pháp gia công số liệu thực nghiệm.......................................... 51 Ch−ơng III. Cơ sở lý thuyết tính toán thiết kế thiết bị sấy thóc giống sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại.............................................................54 3.1. Tính chất bức xạ của vật liệu................................................................ 54 3.2. Truyền năng l−ợng bức xạ hồng ngoại trong chiều dày lớp thóc......... 57 3.3. Phân bố năng l−ợng trong thiết bị sấy sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại ............................................................................................................ 62 133 3.3.1. Tr−ờng bức xạ hồng ngoại......................................................... 62 3.3.2. Khảo sát phân bố năng l−ợng bức xạ trong thiết bị sấy ............ 65 3.4. Xác định năng l−ợng nguồn bức xạ hồng ngoại................................... 69 3.4.1. Ph−ơng trình cân bằng năng l−ợng............................................ 69 3.4.2. Xác định nhiệt độ vật liệu sấy ................................................... 72 3.4.3. Xác định năng l−ợng tiêu hao trong quá trình sấy .................... 74 3.4.4. Xác định số l−ợng và cách bố trí các thanh gốm ...................... 74 Ch−ơng IV. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm ................................................76 4.1. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đơn yếu tố........................................ 76 4.1.1. ảnh h−ởng của chiều dày lớp thóc sấy l (mm) ......................... 76 4.1.2. ảnh h−ởng của khoảng cách từ các thanh gốm hồng ngoại đến bề mặt lớp thóc sấy H (mm) ......................................................... 79 4.1.3. ảnh h−ởng của khoảng cách giữa các thanh gốm hồng ngoại B (mm)................................................................................................. 82 4.1.4. ảnh h−ởng của nhiệt độ bề mặt lớp thóc sấy T0C..................... 84 4.2. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm đa yếu tố.......................................... 87 4.3. Kết quả nghiên cứu tối −u tổng quát ................................................ 95 4.4. Kết quả thí nghiệm ứng với giá trị tối −u của các yếu tố vào........... 96 Ch−ơng V. kết quả nghiên cứu ứng dụng thiết bị sấy sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại trong sản xuất......................................................................98 5.1. ứng dụng các kết quả nghiên cứu để thiết kế thiết bị sấy sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại ............................................................................... 98 5.2. Kết quả khảo nghiệm với các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật của thiết bị SHN-100A trong sản xuất ........................................................................... 99 5.3. Đánh giá hiệu quả kinh tế .................................................................. 103 Kết luận và kiến nghị ........................................................................................ 106 Các công trình liên quan đến luận án đã đ−ợc công bố............................. 108 Tài liệu tham khảo............................................................................................. 110 Phần phụ lục ....................................................................................................... 121 134 Danh mục bảng Bảng Trang 1.1. ảnh h−ởng của độ ẩm hạt trên nhiệt độ tối đa cho quá trình sấy hạt giống trong 1 h..................................................................................................5 1.2. Kết quả thí nghiệm sấy một số giống lúa .....................................................36 3.1. Khả năng xuyên qua của một số nông sản thực phẩm ................................56 4.1. Kết quả tính toán ph−ơng sai yếu tố và ph−ơng sai thí nghiệm .................77 4.2. Kết quả tính toán ph−ơng sai yếu tố và ph−ơng sai thí nghiệm .................79 4.3. Kết quả tính toán ph−ơng sai yếu tố và ph−ơng sai thí nghiệm .................82 4.4. Kết quả tính toán ph−ơng sai yếu tố và ph−ơng sai thí nghiệm .................84 4.5. Mức biến thiên và khoảng biến thiên của các yếu tố xi ..............................88 4.6. Các hệ số hồi quy có nghĩa của hàm Y1, Y2 .................................................89 4.7. Kết quả kiểm tra tính t−ơng thích của mô hình toán ...................................90 4.8. Giá trị tối −u của các yếu tố vào xi và các hàm Yj .......................................90 4.9. Các hệ số hồi quy dạng thực ..........................................................................91 4.10. Kết quả sấy thí nghiệm ứng với giá trị tối −u của các yếu tố vào ............96 5.1. Các thông số cơ bản của thiết bị sấy SHN-100A .......................................100 5.2. Kết quả kiểm tra một số chỉ tiêu nông học đánh giá chất l−ợng hạt giống lúa lai F1 sau khi sấy bằng gốm bức xạ hồng ngoại và bảo quản mát tại Yên Định Thanh Hoá ............................................................102 5.3. Kết quả thực nghiệm sấy thóc giống ...........................................................103 5.4. Danh sách các cơ sở ứng dụng kết quả nghiên cứu sấy sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại................................................................................106 135 Danh mục Hình Hình Trang 1.1 Cấu tạo hạt thóc.....................................................................................................4 1.2. Phác hoạ một vật thể rắn xốp................................................................................8 1.3. Đ−ờng biểu diễn quá trình sấy khô ....................................................................10 1.4. Hấp thụ, phản xạ và truyền qua một môi tr−ờng hữu hạn ...............................18 1.5. Mối quan hệ giữa năng suất phát xạ của vật đen và b−ớc sóng.....................20 1.6. Gốm hấp thụ năng l−ợng của miền phổ rộng (sọi đốt, thanh đốt) và chuyển hoá năng l−ợng có miền phổ hẹp (chọn lọc) ......................................22 1.7 Quá trình quang hoá hấp thụ năng l−ợng ..........................................................23 1.8 C−ờng độ bức xạ đo đ−ợc của gốm bức xạ hồng ngoại ứng với nhiệt độ khác nhau .......................................................................................................24 1.9 Cấu tạo bộ gia nhiệt nguồn bức xạ hồng ngoại IR- điện ................................25 1.10. Trao đổi bức xạ trong hệ khuếch tán kín và nguyên lý cân bằng năng l−ợng bề mặt ........................................................................................................27 2.1. Sơ đồ nguyên lý thiết bị sấy thí nghiệm sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại .....................................................................................................................39 2.2. Đồ thị "hàm mong muốn" khi Yj bị chặn một phía .........................................47 3.1 Tính hấp thụ của một số vật liệu theo hàm số nhiệt độ ...................................55 3.2 Phổ hấp thụ n−ớc..................................................................................................55 3.3. Dòng bức xạ tới chiều dày lớp hạt .....................................................................57 3.4. Biểu diễn quan hệ giữa hệ số suy yếu với chiều dày lớp thóc sấy..................61 3.5. Biểu diễn quan hệ giữa hệ số hấp thụ trung bình với chiều dày lớp thóc sấy ................................................................................................................62 3.6. Sơ đồ tính toán tr−ờng năng l−ợng bức xạ từ thanh hồng ngoại đến bề mặt vật liệu sấy ...................................................................................................63 3.7. Sự phân bổ năng l−ợng của một thanh gốm hồng ngoại trên bề mặt vật liệu sấy tại điểm A........................................................................................64 3.8. Biểu diễn phân bố năng l−ợng theo khoảng cách từ thanh gốm hồng ngoại đến bề mặt vật liệu sấy ứng với XA = 0 .................................................66 136 3.9. Biển diễn phân bố năng l−ợng theo khoảng giữa các thanh gốm hồng ngoại ứng với B = 120 mm ...............................................................................67 3.10. Biển diễn phân bố năng l−ợng theo khoảng giữa các thanh gốm hồng ngoại ứng với B = 100 mm ...............................................................................68 3.11. Biển diễn phân bố năng l−ợng trên bề mặt vật liệu sấy ứng với B = 80 mm...................................................................................................69 3.12. Nhiệt độ vật liệu sấy ..........................................................................................74 4.1. Biểu diễn ảnh h−ởng của chiều dày lớp thóc sấy l (mm) ...............................77 4.2. Biểu diễn ảnh h−ởng của khoảng cách từ các thanh gốm hồng ngoại đến bề mặt lớp thóc sấy H (mm) .......................................................................80 4.3. Biểu diễn ảnh h−ởng của khoảng cách giữa các thanh gốm hồng ngoại B (mm) ..................................................................................................................84 4.4. Đồ thị biểu diễn ảnh h−ởng của nhiệt độ bề mặt lớp thóc sấy T0C ................87 4.5. Biểu diễn tối −u tỷ lệ nảy mầm của cặp yếu tố chiều dày lớp thóc và khoảng cách từ thanh gốm hồng ngoại đến bề mặt lớp thóc sấy..................92 4.6. Biểu diễn tối −u chi phí điện năng riêng của cặp yếu tố chiều dày lớp thóc và khoảng cách từ thanh gốm hồng ngoại đến bề mặt lớp thóc sấy.........................................................................................................................93 4.7. Biểu diễn tối −u tỷ lệ nảy mầm của cặp yếu tố chiều dày lớp thóc sấy và khoảng cách giữa các thanh gốm hồng ngoại.............................................93 4.8. Biểu diễn tối −u chi phí điện năng riêng của cặp yếu tố chiều dày lớp thóc sấy và khoảng cách giữa các thanh hồng ngoại ......................................94 4.9. Biểu diễn tối −u tỷ lệ nảy mầm của cặp yếu tố khoảng cách từ thanh gốm đến bề mặt lớp thóc sấy và khoảng cách giữa các thanh gốm hồng ngoại ...........................................................................................................94 4.10. Biểu diễn tối −u chi phí điện năng riêng của cặp yếu tố khoảng cách từ thanh gốm đến bề mặt lớp thóc sấy và khoảng cách giữa các thanh gốm hồng ngoại........................................................................................95 5.1. Kết quả theo dõi chỉ tiêu độ giảm ẩm thóc giống sấy bằng thiết bị sử dụng gốm bức xạ hồng ngoại SHN-100A và SN 1T/h .................................101 5.2. Kết quả theo dõi chi phí điện năng riêng của thiết bị SHN-100A................102 ._.