Báo cáo thí nghiệm quá trình và thiết bị trong công nghệ thực phẩm bài thực hành số 1 thí nghiệm sấy vật liệu ẩm

Mục tiêu củaquá trình sấy trong bảo quản và chế biến nông sản, thực phẩm là giảm hàm lượng ẩm có trongnguyên liệu; từ đó, làm giảm hoạt độ của nước, ức chế các biến đổi do có sự hiện diệ

TỔNG QUAN

Tổng quan về phương pháp sấy

Sấy là quá trình sử dụng nhiệt để giảm hàm lượng ẩm trong nguyên liệu, dựa trên sự chênh lệch áp suất hơi riêng phần của nước giữa nguyên liệu và môi trường xung quanh Trong quá trình sấy, nước di chuyển từ bên trong nguyên liệu ra ngoài thông qua hai quá trình chính: sự khuếch tán của nước từ bên trong ra bề mặt nguyên liệu do chênh lệch hàm lượng ẩm và sự khuếch tán của nước từ bề mặt nguyên liệu ra môi trường xung quanh do chênh lệch áp suất hơi riêng phần của hơi nước.

Trong công nghệ bảo quản sau thu hoạch và chế biến nông sản, thực phẩm, sấy là phương pháp phổ biến có lịch sử lâu đời, giúp giảm hàm lượng ẩm để hạn chế hoạt độ nước và ngăn chặn sự phát triển của vi sinh vật cũng như các hoạt động enzyme Quá trình sấy không chỉ nâng cao khả năng bảo quản và chất lượng sản phẩm mà còn tạo ra các biến đổi hóa học và cảm quan phù hợp với nhu cầu người tiêu dùng Động học sấy mô tả các hiện tượng vận chuyển nhiệt và khối lượng trong vật liệu sấy bằng các mô hình thay thế các phương trình toán học phức tạp Có nhiều phương pháp sấy khác nhau như sấy không khí nóng, sấy nhanh, sấy vi sóng, sấy chân không, sấy hồng ngoại, sấy âm, và sấy đông lạnh, kết hợp các công nghệ truyền thống và hiện đại để tối ưu hóa quá trình sấy thực phẩm.

Các phương pháp làm khô và điều kiện thực hiện đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến màu sắc, kết cấu, mật độ, độ xốp, trạng thái cảm quan và khả năng hấp thụ của vật liệu sử dụng (Krokida và Maroulis, 2019) Việc lựa chọn phương pháp sấy phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa các đặc tính của vật liệu, nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng Điều kiện làm khô như nhiệt độ, thời gian và môi trường ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất kỹ thuật và cảm quan của vật liệu sau quá trình sấy Hiểu rõ ảnh hưởng của các yếu tố này giúp cải thiện quá trình sản xuất và đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng cao.

Các tác nhân sấy nhằm tách hàm lượng ẩm từ vật liệu sấy ra khỏi thiết bị, bằng cách cung cấp nhiệt và tải ẩm trong quá trình sấy Trong quá trình sấy, môi trường xung quanh vật sấy luôn được bổ sung ẩm thoát ra, gây cản trở quá trình bay hơi của ẩm khỏi vật liệu Tác nhân sấy không chỉ đóng vai trò cung cấp nhiệt để hóa hơi ẩm lỏng mà còn phải vận chuyển ẩm ra khỏi vật sấy hiệu quả Trong các thiết bị sấy tiếp xúc hoặc sử dụng bức xạ, tác nhân chủ yếu chuyển ẩm, còn nguồn nhiệt thường đến từ bề mặt đốt nóng hoặc nguồn bức xạ Trong các thiết bị sấy đối lưu, tác nhân sấy đảm nhiệm đồng thời nhiệm vụ cung cấp nhiệt và tải ẩm, đảm bảo quá trình sấy hiệu quả và đáng tin cậy.

Tác nhân sấy thường là các chất khí như không khí, khói, hơi quá nhiệt, giúp quá trình làm khô hiệu quả Ngoài ra, chất lỏng như dầu và các loại muối nóng chảy cũng thường được sử dụng làm tác nhân sấy trong các quá trình công nghiệp Hai loại tác nhân sấy phổ biến nhất gồm có không khí ẩm và khói lò, đóng vai trò quan trọng trong quá trình sấy vật liệu (Phạm Thanh, 2007).

1.1.1.2 Các phương pháp sấy a Sấy khô tự nhiên

Phương pháp sấy khô sản phẩm bằng ánh sáng mặt trời là sử dụng năng lượng nhiệt tự nhiên để làm khô thực phẩm, mang lại hiệu quả tiết kiệm và thân thiện môi trường Để đạt hiệu quả cao, thực phẩm nên được phơi dưới ánh nắng trực tiếp vào các ngày nắng, khô ráo và thoáng mát, với nhiệt độ tối thiểu là 86°F (30°C), trong đó nhiệt độ càng cao càng thuận lợi cho quá trình sấy Đồng thời, độ ẩm của thực phẩm cần duy trì dưới 60% để đảm bảo chất lượng sản phẩm sau khi sấy Tuy nhiên, do điều kiện về nhiệt độ và độ ẩm tự nhiên khó kiểm soát, quá trình sấy tự nhiên có thể gặp nhiều rủi ro, ảnh hưởng đến chất lượng và an toàn thực phẩm.

Các khay hoặc giàn phơi sấy khô tiếp xúc với thực phẩm cần được làm từ các vật liệu không gỉ, sợi thủy tinh phủ teflon hoặc nhựa để tránh phản ứng hóa học có hại Tránh sử dụng khay làm từ lưới đan kim loại mạ kẽm, cadmium hoặc kẽm có thể bị oxy hóa, gây dư lượng độc hại trên thực phẩm; cũng không nên dùng khay đồng hoặc nhôm vì đồng có thể phá hủy vitamin C và thúc đẩy quá trình oxy hóa, trong khi nhôm dễ bị oxi hóa và đổi màu Gỗ có thể sử dụng làm giàn, nhưng nên tránh các loại như gỗ thông, tuyết tùng, sồi hoặc gỗ đỏ do dễ bị cong vênh, gây biến màu hoặc mất mùi vị thực phẩm Nên đặt khay hoặc dàn phơi trên nơi cao ráo để đảm bảo việc bay hơi và lưu thông khí tốt, tránh đặt trực tiếp trên mặt đất ẩm ướt; có thể dùng vật liệu như tấm nhôm hoặc thiếc để phản xạ nhiệt của mặt trời, tăng hiệu quả sấy Che phủ khay bằng vải thưa để bảo vệ thực phẩm khỏi bụi bẩn, côn trùng và động vật, đảm bảo an toàn vệ sinh trong quá trình sấy khô.

Phương pháp sấy hoạt động dựa trên quy trình đóng băng vật liệu và giảm áp suất xung quanh để nước trong vật liệu thăng hoa trực tiếp từ pha rắn sang pha khí, giúp bảo tồn gần như hoàn toàn tính chất ban đầu của sản phẩm Sản phẩm sau sấy có độ xốp nhất định và giữ lại các chất dinh dưỡng, đảm bảo chất lượng cao Tuy nhiên, chi phí thực hiện cao và quá trình phức tạp khiến phương pháp này phù hợp với các sản phẩm có giá trị cao.

Phương pháp sấy đối lưu sử dụng tác nhân sấy như không khí nóng, gió nóng hoặc khói lò tác động trực tiếp lên vật liệu cần sấy, với dòng khí nóng được luân chuyển và đảo chiều liên tục để đảm bảo hiệu quả sấy tối ưu Nhiệt độ sấy thường được duy trì trong khoảng 60-115°C, tùy thuộc vào loại vật liệu và độ ẩm của sản phẩm sau quá trình sấy Hàm lượng ẩm cuối cùng của sản phẩm phụ thuộc chính vào nhiệt độ sấy trong quá trình sấy đối lưu, giúp kiểm soát chất lượng và độ khô mong muốn.

Phương pháp sấy bằng tia sóng bức xạ điện từ siêu nhỏ, gồm tần số từ 300 MHz đến 300 GHz, giúp làm khô nhanh các thành phần trong vật liệu Khi tia vi sóng truyền qua vật liệu sấy, chúng sẽ gia nhiệt và hấp thụ năng lượng, đặc biệt từ nước, chất béo và các chất trong thực phẩm Nhờ đó, lượng ẩm trong vật liệu giảm nhanh chóng, tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả sấy.

Phương pháp sấy chân không giúp tiết kiệm điện năng, đồng thời giữ lại gần như nguyên vẹn chất dinh dưỡng và màu sắc của nông sản hoặc thực phẩm Đây là giải pháp tối ưu để bảo quản thực phẩm hiệu quả, đảm bảo dinh dưỡng và tăng thời gian sử dụng.

Phương pháp sấy phù hợp cho các vật liệu dễ bị oxy hóa hoặc không thích hợp khi tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ cao, giúp bảo vệ chất lượng vật liệu Đây còn là giải pháp hiệu quả để xử lý các vật liệu dễ bám bụi hoặc dễ thất thoát dung môi quý, đảm bảo thu hồi tối đa lượng dung môi có giá trị Ngoài ra, phương pháp này còn phù hợp cho các vật liệu dễ cháy nổ, giúp giảm thiểu rủi ro và nâng cao an toàn trong quá trình sản xuất và bảo quản.

So với phương pháp sấy tự nhiên truyền thống, sấy chân không giúp rút ngắn thời gian sấy nhờ tốc độ cao hơn, đồng thời sử dụng nhiệt độ thấp trong môi trường chân không để nâng cao chất lượng và giá trị dinh dưỡng của sản phẩm Phương pháp này cũng tiết kiệm năng lượng đáng kể, giảm thiểu thời gian xử lý và ít gây hại cho sản phẩm hơn, mang lại lợi ích về hiệu quả và bảo vệ môi trường (Parikh, 2015) Ngoài ra, sấy hồng ngoại cũng là một kỹ thuật sấy tiên tiến được áp dụng để nâng cao hiệu quả quá trình sấy.

Phương pháp sấy sử dụng tia hồng ngoại là công nghệ tiên tiến giúp tăng hiệu quả quá trình làm khô nguyên liệu bằng cách hấp thu năng lượng từ tia hồng ngoại, làm nhiệt độ sản phẩm tăng nhanh và tạo ra gradient nhiệt lớn giữa bề mặt và bên trong vật liệu Điều này giúp quá trình tách ẩm diễn ra nhanh hơn, giảm thời gian sấy, đồng thời giữ màu sắc và chất lượng dinh dưỡng của sản phẩm sau sấy Ngoài ra, công nghệ này giúp làm nóng đồng đều vật liệu, dễ kiểm soát nhiệt độ, vận hành đơn giản hơn và không gây tổn thất chất lượng vật liệu.

Là phương pháp sấy sử dụng nhiệt độ thấp để làm khô thực phẩm ở trong buồng sấy với nhiệt độ âm sâu để sản phẩm thoát hơi nước

Vật liệu sấy thường được tách ẩm trước khi đưa vào buồng sấy để đảm bảo quá trình sấy diễn ra hiệu quả Phương pháp này giúp sản phẩm sau khi sấy không bị mất màu, mất chất do nhiệt và giữ lại gần như tuyệt đối các thành phần dinh dưỡng Công nghệ sấy này phù hợp để xử lý các loại sản phẩm dễ nóng chảy như socola, bánh kẹo, hoặc các sản phẩm dễ tạo màng do nhiệt như chuối, thanh long Ngoài ra, phương pháp này còn phù hợp để sấy các sản phẩm có dầu mỡ như hải sản, bột nông sản có dầu, giúp giữ nguyên chất lượng và độ tươi của sản phẩm.

1.1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình sấy

Bản chất của vật liệu sấy: cấu trúc, thành phần hóa học,

Tổng quan về vật liệu sấy

1.1.2.1 Nguyên liệu sấy khoai lang

Khoai lang lần đầu tiên được phát hiện ở các đảo nhiệt đới Thái Bình Dương và phía bắc New Zealand, sau đó trở thành một cây lương thực quan trọng được trồng rộng rãi ở nhiều vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới Với đặc điểm không đòi hỏi điều kiện canh tác khắt khe và chi phí sản xuất thấp, khoai lang mang lại sản lượng đáng kể, góp phần vào an ninh lương thực trong khu vực.

Một củ khoai lang chứa khoảng 14mg beta carotene, một hợp chất có khả năng chống ung thư, đặc biệt là ung thư phổi, ngay cả ở người hút thuốc lá Beta carotene còn giúp tăng cường hệ miễn dịch, giảm nguy cơ mắc các bệnh về mắt như cườm mắt, phòng ngừa tai biến mạch não, chứng kích tim và giảm mức cholesterol trong máu.

Cấu tạo khoai lang gồm 3 phần: vỏ ngoài, vỏ cùi và thịt củ Phần lớn tinh bột và các hợp chất chứa nito ở thịt củ.

Một số giống khoai lang ở Việt Nam như: khoai lang Hoàng Long, khoai lang Lệ Cần, khoai lang Bình Tân,

1.1.2.2 Hàm lượng dinh dưỡng của khoai lang

Thành phần trong 100g) Hàm lượng

Bảng 1 1 Thành phần dinh dưỡng của khoai lang

NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Nguyên liệu, dụng cụ

Nguyên liệu được sử dụng trong bài thí nghiệm là khoai lang Nhật được mua tại Bách hóa xanh.

Dụng cụ: dao, thớt, khay nhôm, khay lưới, thiết bị sấy đối lưu, thiết bị sấy lạnh, thiết bị sấy hồng ngoại.

Phương pháp nghiên cứu

1.2.2.1.1 Sơ đồ quy trình công nghệ

Hình 1 2 Sơ đồ quy trình công nghệ sấy

1.2.2.1.2 Thuyết minh quy trình công nghệ

Lựa chọn nguyên liệu là bước quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm Chọn khoai lang có kích thước to, đều nhau, chưa bị dập, hư hỏng, sâu bệnh hoặc mọc mầm để đạt hiệu quả cao trong quá trình chế biến.

Xử lý nguyên liệu bao gồm các bước rửa sạch và gọt vỏ nhằm loại bỏ tạp chất như đất, cát bám trên vỏ, giúp nâng cao chất lượng và vẻ ngoại quan của sản phẩm Quá trình thực hiện bao gồm cắt bỏ hai đầu, rửa dưới vòi nước sạch, rồi gọt bỏ lớp vỏ ngoài Lưu ý quan trọng là không rửa lại nguyên liệu sau khi gọt vỏ để đảm bảo duy trì độ ẩm ban đầu, tránh làm sai lệch chất lượng sản phẩm.

Cắt lát khoai lang thành từng miếng có kích thước khoảng 3x3x0.4 cm để dễ dàng xác định diện tích bề mặt nguyên liệu, hỗ trợ việc tính toán các thông số kỹ thuật chính xác hơn Đồng thời, việc cắt lát giúp rút ngắn thời gian sấy, tăng hiệu quả quá trình xử lý khoai lang Quy trình cắt lát phù hợp giúp tối ưu hóa quá trình chế biến và nâng cao chất lượng sản phẩm cuối cùng.

Kiểm tra thiết bị. Điều chỉnh thông số thiết bị phù hợp với điều kiện bài thí nghiệm.

Cân xác định khối lượng (sau mỗi 10 phút) Sấy đến khi khối lượng không đổi. o Thông số:

Sấy đối lưu: nhiệt độ sấy 70 o C

Sấy lạnh: Nhiệt độ thiết bị bay hơi: 7℃

Nhiệt độ thiết bị ngưng tụ: 6℃

Nhiệt độ môi trường sấy: 33℃

Sấy hồng ngoại: chế độ Medium

 Xác định độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy W o

Nguyên tắc chính trong phân tích độ ẩm là xác định khối lượng trước và sau khi sấy bằng cách sử dụng nhiệt để bay hơi nước tự do trong nguyên liệu, từ đó tính toán chính xác độ ẩm của mẫu Quá trình sấy diễn ra ở nhiệt độ 105°C cho đến khi mẫu đạt khối lượng không đổi, đảm bảo độ chính xác của kết quả Để nâng cao độ tin cậy, phương pháp này được thực hiện nhiều lần, cụ thể là lặp lại thí nghiệm 3 lần.

Công thức tính độ ẩm ban đầu:

W o =m o −m 1 m o ×100(%) (1.1) Trong đó: m o (g): khối lượng mẫu trước khi sấy; m 1 (g): khối lượng mẫu trung bình sau khi sấy.

 Xác định hàm lượng ẩm biến thiên theo thời gian Wj

Sau thời gian τ=τ j đem mẫu cân xác định được G j theo công thức:

G o (kg) : khối lượng ban đầu của vật liệu sấy;

G j (kg) : khối lượng vật liệu sấy tại thời điểm τ=τ j ;

W j (%) : độ ẩm của vật liệu sấy tại thời điểm τ=τ j ;

∆ τ=τ j+ 1 −τ j phút thời gian lặp lại quá trình cân mẫu.

Tiến hành tính toán theo (1.3), kết quả ghi nhận vào Bảng 1.2

Bảng 1 2 Độ ẩm vật liệu sấy biến thiên theo thời gian τ τ=0 τ=τ 1 τ=τ j

 Xây dựng đường cong sấy

Xử lý số liệu thực nghiệm ở Bảng biến thiên độ ẩm sấy theo thời gian, xác định đường cong sấy và mô phỏng trên đồ thị.

Phương trình đường cong sấy có dạng:

Phương trình (1.4) được biểu diễn trên đồ thị như sau:

Theo Nguyễn (2021), đường cong sấy theo lý thuyết được chai làm 3 giai đoạn:

Trong giai đoạn 1 (A → B) của quá trình sấy, vật liệu ẩm chủ yếu nhận năng lượng để nâng nhiệt độ và đạt đến nhiệt độ sấy phù hợp Quá trình này còn thúc đẩy sự khuếch tán ngoại để bay hơi nước trên bề mặt vật liệu, tạo điều kiện cho quá trình khuếch tán nội diễn ra hiệu quả Đường cong sấy từ điểm A đến B tuân theo quy luật phi tuyến bậc hai, phản ánh đặc điểm không tuyến tính của quá trình sấy trong giai đoạn này.

Giai đoạn 2 (B → C) diễn ra khi vật liệu ẩm đã được đốt nóng toàn bộ để phá vỡ liên kết giữa nước và vật liệu, gây ra quá trình khuếch tán nội và bay hơi nước mạnh mẽ Trong giai đoạn này, phần lớn nước tự do trong vật liệu ẩm được tách ra, và đường cong sấy có dạng tuyến tính bậc nhất, gọi là giai đoạn sấy đẳng tốc Kết thúc giai đoạn này, gần như toàn bộ nước tự do đã thoát ra khỏi vật liệu.

Giai đoạn 3 (C → D) là giai đoạn cuối của quá trình sấy, tập trung vào việc loại bỏ lượng nước tự do còn lại và tách các loại nước liên kết cơ lý dưới dạng hấp phụ để đạt mức độ ẩm cân bằng của vật liệu, tạo ra sản phẩm hoàn chỉnh Thời gian thực hiện giai đoạn này rất dài, với τ1 < τ2 < τ3, và đường cong sấy từ (C) đến (D) thường tuân theo quy luật phi tuyến bậc cao, phụ thuộc vào loại vật liệu ẩm như xốp, keo hoặc keo xốp.

 Xây dựng đường cong tốc độ sấy

Từ phương trình (1.4) lấy đạo hàm hai vế, rồi nhân tử cho G và nhân mẫy cho F, ta được: u=−G dW

Trong đó: F(m2): diện tích trao đổi nhiệt của bề mặt sấy; Đường cong tốc độ sấy có dạng:

Hình 1 4 Đường cong tốc độ sấy u = f(W) Đường cong sấy được chia làm 3 giai đoạn nên đường cong tốc độ sấy cũng gồm 3 giai đoạn tương ứng (Nguyễn, 2021):

Giai đoạn 1 (A → B): Do đường cong sấy là phi tuyến bậc 2 nên đường cong tốc độ sấy là đường tuyến tính bậc 1.

Giai đoạn 2 (B→ C) diễn ra khi đường cong sấy tuyến tính bậc nhất, khiến đường cong tốc độ sấy trở thành hàm hằng Điều này có nghĩa là trong giai đoạn này, tốc độ sấy của nguyên liệu duy trì ở mức ổn định, còn gọi là giai đoạn sấy với tốc độ không đổi Việc hiểu rõ đặc điểm của giai đoạn này giúp tối ưu quá trình sấy, đảm bảo hiệu quả và chất lượng sản phẩm.

Giai đoạn 3 (C → D): Do đường cong sấy là phi tuyến bậc cao nên đường cong tốc độ sấy có

3 dạng đặc trưng cho 3 loại vật liệu (xốp, keo và keo xốp):

+ Đường (a): là đường khi sấy vật liệu ẩm dạng xốp;

+ Đường (b): là đường khi sấy vật liệu ẩm ở dạng keo;

+ Đường (c): là đường khi sấy vật liệu ẩm ở dạng keo – xốp.

Sau khi thu thập số liệu thực nghiệm, tiến hành vẽ đường cong sấy và đường cong tốc độ sấy để phân tích quá trình làm khô Tiến hành so sánh các đường cong này với các đường cong lý thuyết để đánh giá độ chính xác của mô hình và phương pháp dự đoán Nguyên nhân dẫn đến sai số có thể xuất phát từ những yếu tố như sai số trong quá trình đo lường, giả thiết lý thuyết chưa phù hợp hoặc biến đổi của điều kiện thực tế so với điều kiện lý thuyết Việc xác định nguyên nhân chính xác giúp nâng cao độ tin cậy của mô hình và cải thiện quá trình sấy trong thực tiễn.

KẾT QUẢ VÀ BẢN LUẬN

Độ ẩm ban đầu của vật liệu sấy

Khối lượng trước khi sấy m o (g) 5.01 5.02 5

Khối lượng sau khi sấy m 1 (g) 1.98 2 1.97 Độ ẩm ban đầu (%) 60.48 60.16 60.6 Độ ẩm ban đầu trung bình (%) 60.41 ± 0.2277

Bảng 1 3 Độ ẩm ban đầu của mẫu khoai lang sau quá trình sấy

Nhận xét: Độ ẩm ban đầu của khoai lang trong bài thí nghiệm thấp hơn so với nghiên cứu.

Theo Rautenbach và cộng sự (2010), độ ẩm của khoai lang dao động trong khoảng 67.1% đến 77.9% tùy thuộc vào các giống khoai lang khác nhau.

Nguyên nhân có thể do:

+ Khoai lang mua ở cửa hàng để lâu nên độ ẩm giảm so với khoai lang mới thu hoạch

+ Trong quá trình cắt tạo hình, mẫu để ngoài không khí nên 1 lượng ẩm đã bay hơi.

Kết quả sấy đối lưu

1.3.2.1 Diện tích trao đổi nhiệt của vật liệu sấy trong quá trình sấy đối lưu

Mỗi lát khoai có kích thước 3 × 3 × 0.4 (cm) Từ đó diện tích trao đổi nhiệt của 37 lát khoai lang được tính:

1.3.2.2 Sự biến thiên hàm lượng ẩm theo thời gian của khoai lang trong quá trình sấy đối lưu

Quá trình sấy giúp loại bỏ độ ẩm trong khoai, dẫn đến giảm khối lượng của vật liệu sấy Các kết quả đo lường và phân tích về sự biến thiên của độ ẩm theo thời gian sấy của khoai lang được thể hiện rõ ràng trên đồ thị đường cong sấy W=f(τ), minh họa quá trình biến đổi của độ ẩm khi sấy diễn ra.

70 ĐƯỜNG CONG SẤY ĐỐI LƯU τ (phút)

Hình 1 5 Đường cong sấy W= f(τ) của quá trình sấy đối lưu

1.3.2.3 Giai đoạn 1 của quá trình sấy đối lưu

Là giai đoạn khi đó nguyên vật liệu ẩm sẽ được nhận nhiệt năng để đạt tới nhiệt độ sấy để làm bay hơi nước trên bề mặt.

Phương trình thực tế thu được là:

Trong giai đoạn 1 của quá trình sấy đối lưu, đường cong sấy có dạng phi tuyến tính và có xu hướng hướng xuống do độ ẩm của sản phẩm giảm dần theo thời gian Tuy nhiên, theo kết quả thực nghiệm của nhóm, quá trình này diễn ra khá nhanh, khiến số liệu thu thập không hoàn toàn chính xác và khó mô tả rõ ràng sự biến đổi của vật liệu ẩm theo thời gian.

1.3.2.4 Giai đoạn 2 của quá trinh sấy đối lưu

Là quá trình bay hơi nước mạnh do quá trình khuếch tán nội và khuếch tán ngoại xảy ra đồng thời.

Phương trình thực tế thu được là:

Trong giai đoạn 2 của quá trình sấy đối lưu, độ ẩm bay hơi mạnh mẽ theo thời gian tạo thành đường cong sấy dạng tuyến tính, thể hiện rõ qua đường dốc đi thẳng xuống Giai đoạn này còn gọi là giai đoạn sấy đẳng tốc do phần lớn nước tự do đã bay hơi gần như hoàn toàn, tuy nhiên kết quả thực nghiệm cho thấy đồ thị không hoàn toàn nằm trên một đường thẳng lý thuyết, các điểm tập trung gần đường tuyến tính Mặc dù vậy, hệ số xác định R² ≈ 0.95 cho thấy phương trình đường cong sấy này vẫn có ý nghĩa trong tính toán và có thể chấp nhận được trong thực tế.

Nguyên nhân ảnh hưởng đến kết quả thực nghiệm không chính xác này có thể kể đến do thao tác thực hành như:

- Quá trình sấy 10 phút lấy ra đo số liệu một lần dẫn đến lượng nhiệt trong buồng sấy không ổn định.

- Các mẫu có khả năng bị hút ẩm trở lại trong quá trình cân đo số liệu

- Thiết bị cân bị lệch dẫn tới sai số.

1.3.2.5 Giai đoạn 3 của quá trình sấy đối lưu

Là quá trình bốc hơi ẩm còn lại cho đến khi đạt tới độ ẩm cân bằng, quá trình này đường cong sấy ở dạng phi tuyến rất phức tạp.

Phương trình thực tế thi được là:

Giai đoạn 3 của quá trình sấy đối lưu kéo dài với sự mất ẩm chậm và tiêu tốn nhiều thời gian, phụ thuộc vào loại vật liệu cần sấy; quá trình kết thúc khi độ ẩm của vật liệu ổn định Thực nghiệm của nhóm nghiên cứu cho thấy, có xuất hiện các điểm nằm ngoài đường phi tuyến của quá trình sấy, và thời gian của giai đoạn này gần như bằng với giai đoạn 2.

Nguyên nhân chính gây ra các vấn đề trên có thể là do thao tác không chính xác trong quá trình vận hành và nhiệt độ trong buồng sấy không được kiểm soát ổn định Điều này dẫn đến thời gian sấy kéo dài hơn dự kiến và làm xuất hiện các sai lệch về các thông số kỹ thuật Việc duy trì nhiệt độ ổn định trong buồng sấy là yếu tố quan trọng giúp đảm bảo quá trình sấy diễn ra hiệu quả và đạt chất lượng cao.

1.3.2.6 Đường cong tốc độ sấy của quá trình sấy đối lưu

0.35 ĐƯỜNG CONG TỐC ĐỘ SẤY

Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3

Hình 1 9 Đường cong tốc độ sấy u = f(W) của quá trình sấy đối lưu

Ở giai đoạn 1, lý thuyết đề xuất rằng tốc độ thoát ẩm tỷ lệ thuận với độ giảm của độ ẩm, tạo thành một đường thẳng tăng dần Tuy nhiên, kết quả thực nghiệm cho thấy đường cong tốc độ thoát ẩm không phải là đường thẳng liên tục mà có dạng gấp, thể hiện rằng ban đầu tốc độ mất ẩm giảm nhanh nhưng không đều và không tỉ lệ chính xác với mức độ giảm ẩm của vật liệu sấy Điều này cho thấy quá trình sấy trong giai đoạn đầu diễn ra không đồng đều, phản ánh sự mất ẩm không đều của vật liệu.

Trong quá trình sấy, nguyên nhân gây ra ảnh hưởng bao gồm tính chất vật liệu, độ mỏng của mẫu cắt lát và diện tích tiếp xúc, dẫn đến mất ẩm bề mặt nhanh Sự không đồng đều trong thời gian cân mẫu và việc lấy mẫu định kỳ mỗi 10 phút cũng tác động lớn đến kết quả đo lường Ở giai đoạn 2, tốc độ sấy duy trì ổn định cùng với mức độ giảm ẩm theo thời gian, tạo thành đồ thị đường thẳng phù hợp lý thuyết, nhờ nhiệt độ trong buồng và của vật liệu ổn định, duy trì tốc độ bay hơi ướt ở mức u = 0.330 kg/(m²h) Trong giai đoạn 3, tốc độ bay hơi giảm dần khi độ ẩm của vật liệu giảm xuống, do ẩm tự do đã bay hơi hết và còn lại ẩm liên kết, cần nhiều thời gian, năng lượng hơn và không duy trì tốc độ sấy ổn định, khiến đồ thị không còn đường thẳng đều đặn, đồng thời thao tác trong quá trình sấy còn ảnh hưởng đến kết quả.

Kết quả sấy hồng ngoại

1.3.3.1 Diện tích trao đổi nhiệt của vật liệu sấy

1.3.3.2 Sự biến thiên hàm lượng ẩm theo thời gian của khoai lang trong quá trình sấy hồng ngoại

Hình 1 10 Đường cong sấy W= F(τ) trong sấy hồng ngoại

1.3.3.4 Giai đoạn 1 của quá trình sấy hồng ngoại

Giai đoạn 1 của đường cong sấy trong sấy hồng ngoại thể hiện dạng phi tuyến, với phương trình thực tế phù hợp lý thuyết là y = −0.0027x² − 0.0963x + 60.413 Trong giai đoạn này, vật liệu được đun nóng, hơi nước trên bề mặt bay hơi, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình khuếch tán nội và khuếch tán ngoại diễn ra hiệu quả ở các giai đoạn tiếp theo.

Trong giai đoạn 2 của quá trình sấy hồng ngoại, đường cong sấy thể hiện dạng tuyến tính với phương trình thực tế là y=−0.507x+71.009, có hệ số xác định R²=0.9942, cho thấy mô hình này phù hợp để tính toán Tuy nhiên, thực tế, các điểm dữ liệu thường không nằm hoàn toàn trên cùng một đường cong sấy do những yếu tố ảnh hưởng như thiết bị sử dụng và thao tác trong quá trình thí nghiệm.

Trong giai đoạn 3 của quá trình sấy hồng ngoại, đường cong sấy ở dạng phi tuyến, thể hiện qua phương trình thực tế là y = 0.0013x^2 - 0.4863x + 50.68, phù hợp với lý thuyết Hệ số xác định R² = 0.9939 > 0.95 cho thấy phương trình đường cong sấy có ý nghĩa trong việc tính toán và có thể chấp nhận được, đảm bảo độ chính xác của mô hình trong quá trình phân tích sấy.

1.3.3.7 Đường cong tốc độ sấy của quá trình sấy hồng ngoại

-0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 ĐƯỜNG CONG TỐC ĐỘ SẤY

Giai đoạn 1 Giai đoạn 2 Giai đoạn 3

Hình 1 14 Đường cong tốc độ sấy u= f(W) trong sấy hồng ngoại

Trong giai đoạn 1 của quá trình sấy, đường cong tốc độ sấy thường theo mô hình tuyến tính bậc 1, thể hiện tốc độ sấy tăng nhanh và đạt đến giá trị cực đại Sau đó, quá trình giữ nguyên tốc độ sấy ổn định trong các giai đoạn tiếp theo, đảm bảo hiệu quả sấy tối ưu và duy trì chất lượng sản phẩm.

Trong giai đoạn 2 của quá trình sấy, tốc độ sấy duy trì ở mức ổn định và độ ẩm trong vật liệu giảm dần đều theo thời gian Giai đoạn này được mô tả phù hợp với đường đẳng tốc, phản ánh chính xác quá trình truyền nhiệt và thoát ẩm trong vật liệu sấy.

Giai đoạn 3: Tốc độ sấy giảm nhanh Đường biểu diễn tốc độ sấy thực tế không giống và phức tạp như lý thuyết.

Kết quả sấy lạnh

1.3.4.1 Diện tích trao đổi nhiệt của vật liệu sấy

1.3.4.1 Sự biến thiên hàm lượng ẩm theo thời gian của khoai lang trong quá trình sấy lạnh

60 70 ĐƯỜNG CONG SẤY LẠNH τ (phút)

Hình 1 15 Đường cong sấy W = f(τ) của quá trình sấy lạnh

1.3.4.2 Giai đoạn 1 của quá trình sấy lạnh

Giai đoạn này không xảy ra do không có chênh lệch áp suất giữa hơi nước trong không khí và áp suất hơi nước trên bề mặt khoai, dẫn đến hiện tượng mất ẩm nhanh chóng Mặc dù quá trình này kéo dài trong thời gian khá lâu, nhưng sự cân bằng áp suất không được thiết lập khiến quá trình thoát ẩm không diễn ra hiệu quả Hiểu rõ đặc điểm này giúp tối ưu quá trình bảo quản khoai và hạn chế thất thoát ẩm.

Trong giai đoạn 2 của quá trình sấy lạnh, đường cong sấy có dạng tuyến tính thể hiện giai đoạn sấy đẳng tốc, nơi diễn ra đồng thời quá trình khuếch tán nội và ngoại, diễn ra trong khoảng thời gian 380 phút Đường cong sấy này mô tả rõ sự biến đổi của quá trình trong giai đoạn này, phù hợp với phương trình đồ thị đã xác định, giúp tối ưu hóa hiệu suất sấy và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

W = -0.0959τ + 62.166 với R² = 0.9977 thể hiện rằng phương trình đường cong sấy trong giai đoạn này có ý nghĩa và được chấp nhận.

Hình 1 17 Đường cong sấy trong giai đoạn 3 của quá trình sấy lạnh

Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại trên vật liệu sấy diễn ra trong vòng 120 phút, đến khi đạt được cân bằng ẩm Quá trình này diễn ra theo dạng phi tuyến phức tạp và ít bị ảnh hưởng bởi độ ẩm tương đối của tác nhân sấy Trong giai đoạn này, có thể xuất hiện các điểm nằm ngoài đường cong sấy, do các thao tác thực hiện hoặc quá trình vật liệu bị hút ẩm ngược lại.

Phương trinh sấy của giai đoạn này thu được là:

W = 0.0011τ 2 - 1.1072 τ + 288.14 với R² = 0.989 là giá trị có ý nghĩa được chấp nhận để tính toán (0.989 > 0.95)

1.3.4.4 Đường cong tốc độ sấy của quá trình sấy lạnh

0.5000 ĐƯỜNG CONG TỐC ĐỘ SẤY

Hình 1 18 Đường cong tốc độ sấy u = f(W) của quá trình sấy lạnh

Trong giai đoạn 1 thực nghiệm, không ghi nhận được kết quả rõ ràng Giai đoạn 2 cho thấy tốc độ sấy ổn định trong khi độ ẩm giảm dần đều, phù hợp với lý thuyết với tốc độ sấy thực nghiệm là u = 0.1533 kg/(m²h) Ở giai đoạn 3, độ ẩm còn lại trong vật liệu giảm dần đến khi đạt trạng thái cân bằng Tuy nhiên, kết quả thí nghiệm có nhiều điểm lệch xa so với đường cong tốc độ sấy lý thuyết, do quá trình sấy không liên tục, mẫu bị hút ẩm trở lại và việc bảo quản mẫu không đúng cách gây ảnh hưởng đến tính chất và trạng thái của vật liệu, dẫn đến sự biến đổi độ ẩm trong vật liệu và gây sai số trong quá trình sấy.

Bàn luận

1.3.5.1 Bàn luận về sản phẩm

Hình 1 Các mẫu khoai lang sau quá trình sấy: sấy đối lưu ( bên trái), sấy lạnh ( ở giữa), sấy hồng ngoại ( bên phải)

Sản phẩm sấy đối lưu có màu sắc sẫm nhất do quá trình sấy ở nhiệt độ cao khiến khoai lang dễ bị oxi hóa hơn, trong khi sản phẩm sấy hồng ngoại có màu nhạt hơn nhờ quy trình sấy nhẹ nhàng hơn.

Sản phẩm sấy hồng ngoại có độ cứng cao nhất, mang lại độ giòn cứng rõ rệt do quá trình sấy cuối cùng giảm độ ẩm xuống còn khoảng 5.36% Trong khi đó, sản phẩm sấy lạnh có độ mềm mại hơn, ít giòn và ít giòn hơn do hàm lượng ẩm còn lại cao hơn Nhờ quy trình sấy hồng ngoại, sản phẩm cuối cùng đạt độ ẩm thấp nhất, tạo nên đặc tính giòn cứng tối ưu, phù hợp với mong muốn của người tiêu dùng về kết cấu sản phẩm.

Khi so sánh với các phương pháp sấy, sấy lạnh tạo nên sản phẩm có hình dáng ít thay đổi nhất.

Sau khi sấy lạnh, khoai lang giữ được hàm lượng dinh dưỡng cao nhất nhờ nhiệt độ sấy thấp, giúp hạn chế quá trình biến đổi thành phần Phương pháp sấy lạnh giúp duy trì lượng vitamin và khoáng chất, giảm thiểu mất mát dưỡng chất so với các phương pháp sấy khác Chính vì vậy, sấy lạnh là lựa chọn lý tưởng để giữ trọn giá trị dinh dưỡng của khoai lang.

Phương pháp sấy hồng ngoại giữ được các đặc điểm cảm quan như màu sắc, mùi vị và hương thơm đặc trưng của khoai lang, đồng thời đạt yêu cầu về độ ẩm trong quá trình bảo quản Ngoài ra, sấy hồng ngoại có thời gian sấy ngắn hơn so với các phương pháp khác, giúp tiết kiệm thời gian và năng lượng Vì vậy, khoai lang sấy hồng ngoại là phương pháp tối ưu nhất, mang lại lợi ích về chi phí, thời gian và thuận tiện trong quá trình bảo quản, thương mại hóa sản phẩm.

1.3.5.2 Một số nguyên nhân dẫn đến sai số

Trong quá trình tiến hành thí nghiệm có rất nhiều nguyên nhân dẫn đến sai số nhưng có 1 vài nguyên nhân chính như sau:

- Thao tác tiến hành thí nghiệm không đúng làm sản phẩm bị hút ẩm lại sau khi sấy.

- Khoảng cách giữa các lần đo khối lượng không đều.

- Việc tắt/mở máy sấy khi lấy mẫu cân khối lượng làm hạ nhiệt độ tủ sấy.

- Sai số thiết bị cân.

- Kích thước các mẫu không đều.

MỤC ĐÍCH THÍ NGHIỆM

-Làm quen với thiết bị truyền nhiệt ống lồng ống, các dụng cụ đo nhiệt độ và lưu lượng lưu chất;

-Thiết lập cân bằng nhiệt lượng;

-Xác định hệ số truyền nhiệt trong quá trình truyền nhiệt giữ 2 dòng nóng lạnh, qua vách kim loại, ở các chế độ chảy khác nhau.

TỔNG QUAN

Khái niệm về thiết bị trao đổi nhiệt

Quá trình trao đổi nhiệt là quá trình chuyển đổi năng lượng dưới dạng nhiệt năng giữa hai môi chất có nhiệt độ khác nhau, diễn ra qua nhiều phương thức khác nhau Để thực hiện quá trình này một cách hiệu quả, cần sử dụng các thiết bị trao đổi nhiệt, có đa dạng loại phù hợp với từng ứng dụng Các thiết bị trao đổi nhiệt đóng vai trò thiết yếu trong các hệ thống công nghiệp và dân dụng, giúp tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt Việc lựa chọn loại thiết bị phù hợp đảm bảo hiệu suất cao và tiết kiệm năng lượng trong quá trình trao đổi nhiệt.

Trao đổi nhiệt trực tiếp chỉ xảy ra khi các lưu chất tiếp xúc trực tiếp với nhau, phổ biến trong việc làm nguội chất lỏng bằng nước đá mà không quan tâm đến nồng độ, độ pha loãng, hay độ tinh khiết Khi cần kiểm soát các yếu tố này hoặc khi chất lỏng phản ứng với không khí, phương pháp làm lạnh cần chuyển sang trao đổi nhiệt gián tiếp bằng cách trải chất lỏng lên diện tích lớn và đối lưu không khí, tránh tiếp xúc trực tiếp để đảm bảo an toàn và hiệu quả.

Trao đổi nhiệt gián tiếp là quá trình truyền nhiệt giữa hai dòng lưu chất nóng và lạnh thông qua một diện tích bề mặt ngăn cách Các thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp đều có diện tích bề mặt này để tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt Trong quá trình này, nhiệt từ dòng lưu chất nóng (T1) truyền sang dòng lưu chất lạnh (T2), với T1 > T2, qua bề mặt trao đổi nhiệt Diện tích trao đổi nhiệt đóng vai trò quan trọng trong hiệu quả của quá trình trao đổi nhiệt, giúp nâng cao khả năng chuyển đổi nhiệt năng giữa các dòng lưu chất.

Phân loại thiết bị trao đổi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt được phân thành các loại dựa trên quá trình trao đổi nhiệt, tính chất trao đổi nhiệt, và hướng dòng chảy của lưu chất Trong đó, theo quá trình trao đổi nhiệt, thiết bị gồm các loại chính như trao đổi nhiệt đối xứng và không đối xứng Dựa trên tính chất trao đổi nhiệt, các loại phổ biến là trao đổi nhiệt gián tiếp và trực tiếp Ngoài ra, theo hướng dòng chảy của lưu chất, thiết bị trao đổi nhiệt có thể là kiểu dòng chảy ngang, song song hoặc chéo, giúp tối ưu hiệu quả truyền nhiệt trong các ứng dụng công nghiệp.

 Căn cứ vào quá trình trao đổi nhiệt

 Thiết bị trao đổi nhiệt trực tiếp

Trong quá trình trao đổi trực tiếp, hai dòng lưu chất tiếp xúc trực tiếp để trao đổi nhiệt rồi tách ra, thường được ứng dụng trong các quá trình truyền khối kết hợp với truyền nhiệt như làm mát bay hơi và chỉnh lưu Entanpy của sự thay đổi pha trong quá trình này thường chiếm phần lớn trong tổng năng lượng truyền, và sự thay đổi pha giúp tăng tốc độ truyền nhiệt So với các thiết bị thu hồi nhiệt hoặc tái sinh gián tiếp, thiết bị trao đổi nhiệt tiếp xúc trực tiếp cho phép đạt được tốc độ truyền nhiệt cao, có cấu tạo đơn giản và ít gặp vấn đề tắc nghẽn do không có bề mặt truyền nhiệt giữa hai chất lỏng Tuy nhiên, các ứng dụng của phương pháp này chỉ phù hợp trong các trường hợp cho phép tiếp xúc trực tiếp của hai dòng lưu chất.

 Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp

Trong quá trình trao đổi nhiệt gián tiếp, các dòng lưu chất vẫn duy trì sự tách biệt, giúp nhiệt truyền liên tục qua vách ngăn không thấm nước hoặc vào và ra khỏi vách ngăn một cách tạm thời Do đó, phương pháp lý tưởng là tránh tiếp xúc trực tiếp giữa các lưu chất tương tác nhiệt để đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt cao hơn (Ramesh K Shah et al, 2003).

 Căn cứ vào tính chất trao đổi nhiệt

 Thiết bị trao đổi nhiệt hỗn hợp

Thiết bị trao đổi nhiệt trực tiếp là loại thiết bị trong đó hai chất, gồm chất gia công và môi chất hay hai chất tải nhiệt, tiếp xúc trực tiếp với nhau để truyền nhiệt Quá trình này diễn ra qua sự ngưng tụ trực tiếp, tạo ra một hỗn hợp mới thông qua sự trao đổi nhiệt và trao đổi chất Theo Nguyễn Tấn Dũng (2015), loại thiết bị này hiệu quả trong việc truyền nhiệt nhanh chóng và tối ưu, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp.

 Thiết bị trao đổi nhiệt hồi nhiệt

Thiết bị trao đổi nhiệt quay là loại thiết bị có mặt trao đổi nhiệt có thể xoay để tối ưu quá trình truyền nhiệt Trong quá trình vận hành, mặt trao đổi nhiệt nhận nhiệt từ chất lỏng 1 và tỏa nhiệt cho chất lỏng 2, giúp quá trình trao đổi nhiệt diễn ra hiệu quả Tuy nhiên, hệ thống này thường gặp phải sự dao động nhiệt, khiến quá trình trao đổi nhiệt không ổn định và đòi hỏi sự kiểm soát chặt chẽ để đảm bảo hiệu quả hoạt động.

 Thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt

Thiết bị trao đổi nhiệt bề mặt cho phép truyền nhiệt giữa hai chất tải nhiệt qua một bề mặt phân cách, đảm bảo quá trình truyền nhiệt hiệu quả Các loại thiết bị này bao gồm trao đổi nhiệt truyền trực tiếp, trao đổi nhiệt lưu trữ và thiết bị trao đổi tầng sôi, phù hợp với nhiều ứng dụng kỹ thuật khác nhau (Ramesh K Shah et al, 2003).

 Căn cứ vào chiều hướng của các dòng chảy của lưu chất

 Thiết bị trao đổi nhiệt cùng chiều

Hình 2 1 Thiết bị trao đổi nhiệt cùng chiều hay xuôi dòng

 Thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều

Hình 2 2 Thiết bị trao đổi nhiệt ngược chiều hay ngược dòng

 Thiết bị trao đổi nhiệt chéo nhau

Hình 2 3 Thiết bị trao đổi nhiệt chéo nhau hay chéo dòng

Một số thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp

Thiết bị trao đổi nhiệt gián tiếp nếu căn cứ vào cấu tạo của bề mặt truyền nhiệt thì có thể chia thành các loại sau:

Truyền nhiệt gián tiếp qua vỏ thiết bị là phương pháp phổ biến để đun nóng hoặc làm lạnh các thiết bị phản ứng không thể sử dụng ống xoắn bên trong Vỏ thiết bị bao bọc bên ngoài, được gắn chắc chắn với các thành phần khác như vỏ bọc và mặt bích hoặc hàn bền, tạo thành khoang kín để chất tải nhiệt vào đun nóng hoặc làm nguội thiết bị Chiều cao của vỏ bọc cần đảm bảo không thấp hơn mực chất lỏng trong thiết bị để đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt tối ưu (Nguyễn Tấn Dũng, 2015).

Hình 2 4 Thiết bị truyền nhiệt loại vỏ bọc ngoài

1 - Thiết bị 2 - Vỏ bọc 3 - Mặt bích

 Cấu tạo đơn giản, dễ vận hành, chắc chắn

 Dễ bảo dưỡng sửa chữa và dễ làm sach bên trong

 Hệ số truyền nhiệt không cao

 Thiết bị cồng kềnh, khó chế tạo bằng vật liệu không nong và hàn được như gang hoặc thép silic

Loại ống là loại có bề mặt truyền nhiệt hình dạng ống Dựa vào cấu tạo và đặc tính làm việc, các loại ống này được phân chia thành nhiều dạng khác nhau phù hợp với từng ứng dụng cụ thể, đảm bảo hiệu quả truyền nhiệt tối ưu trong hệ thống.

Ống xoắn là một trong những loại đơn giản nhất, gồm ống thẳng được nối với nhau bằng ống khuỷu (hay còn gọi là xoắn gấp khúc), giúp dễ dàng lắp đặt và linh hoạt trong hệ thống Ngoài ra, còn có ống xoắn ruột gà có cấu tạo gồm các ống uốn theo hình ren ốc, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu độ bền và khả năng chịu nhiệt Trong quá trình hoạt động, trong ống sẽ có chất tải đi qua, còn một chất tải nhiệt khác di chuyển ngoài ống, đảm bảo quá trình truyền nhiệt hiệu quả (Phạm Xuân Toản, 2007).

Hình 2 5 Thiết bị truyền nhiệt dạng ống xoắn

 Cấu tạo đơn giản có thể làm bằng vật liệu chống ăn mòn

 Dễ kiểm tra và sửa chữa.

 Hệ số màng cao hơn (tốc độ truyền nhiệt qua tường từ chất lỏng này sang chất lỏng khác).

 Việc sử dụng hiệu quả hơn độ giảm áp suất sẵn có dẫn đến các thiết kế kém hiệu quả và ít tốn kém hơn.

 Dòng ngược dòng thực sử dụng hoàn toàn LMTD có sẵn (chênh lệch nhiệt độ trung bình logarit)

 Hệ số cấp nhiệt bên ngoài nhỏ dẫn đến hệ số truyền nhiệt nhỏ

 Khó làm sạch phía trong ống

 Trở lực thủy lực lớn hơn ống thẳng

Ống tưới chủ yếu được sử dụng để làm lạnh và ngưng tụ, trong đó nước thường được phun ngoài ống để tạo ra hiệu quả làm mát Quá trình nước tưới chảy từ ống trên xuống ống dưới rồi chảy vào máng, giúp quá trình trao đổi nhiệt diễn ra thuận lợi Trong quá trình này, một phần nhỏ lượng nước (khoảng 1-2%) sẽ bay hơi khi tiếp xúc với nhiệt, dẫn đến phần nhiệt từ chất tải nhiệt nóng được hấp thụ một phần và khiến lượng nước làm mát ít hơn so với các thiết bị khác.

Hình 2 6 Thiết bị truyền nhiệt dạng ống tưới

1 - Bích nối và ống truyền nhiệt 2 - Khuỷu nối

3 - Máng tưới 4 - Máng chứa nước

 Lượng nước làm lạnh ít

 Cấu tạo đơn giản, dễ quan sát và làm sạch bên ngoài ống

 Dễ sửa chữa, thay thế

 Khi tưới trên bề mặt ống có thể lượng nước sẽ không tưới được đều

Thiết bị truyền nhiệt loại ống lồng ống gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau, mỗi đoạn có hai ống lồng vào nhau để tăng hiệu quả truyền nhiệt Ống trong của mỗi đoạn (1) kết nối với ống trong của đoạn khác, trong khi ống ngoài (2) nối thông với ống ngoài của các đoạn khác nhằm đảm bảo hệ thống kín và ổn định Để dễ thực hiện việc thay thế và vệ sinh, các đoạn ống được nối bằng khuỷu (3) và ống nối có mặt bích (4), tạo sự thuận tiện trong quá trình lắp đặt và bảo trì Mối hàn (5) được sử dụng để hàn kín ống ngoài (2) với ống trong (1), đảm bảo độ kín và an toàn cho hệ thống truyền nhiệt ống lồng.

Hình 2 7 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

1 - Ống trong 2 - Ống ngoài 3 - Khuỷu nối

 Hệ số truyền nhiệt lớn

 Khó làm sạch khoảng trống giữa hai ống

Thiết bị trao đổi nhiệt ống chùm hoạt động dựa trên nguyên tắc cấu tạo gồm chùm ống lắp vào vi ống, được bọc bởi vỏ hình trụ và có nắp đậy ở hai đầu Trong thiết bị này, có hai không gian riêng biệt: không gian bên trong vỏ ống chứa khoảng trống giữa các ống và không gian trong các ống, cùng với không gian giới hạn giữa vi ống và nắp Trong mỗi không gian này, lưu thể chuyển động để trao đổi nhiệt qua các thành của các ống truyền nhiệt, đảm bảo hiệu suất trao đổi nhiệt tối ưu (Nguyễn Tấn Dũng, 2015).

Hình 2 8 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng ống chùm

 Dải công suất trao đổi nhiệt lớn hơn bộ trao đổi nhiệt dạng ống xoắn

 Có thể sử dụng nước mát sẵn có từ tháp giải nhiệt

 Tiết kiệm điện so với hệ thống giải nhiệt gió do ko cần motor quạt

 Dễ tích hợp với hệ thống điều khiển

 Sử dụng nguồn lạnh đầu vào là nước chưa lọc, chưa qua xử lý sẽ sinh ra lắng cặn, han gỉ

Kết cấu dạng ống chùm khiến cặn bẩn dễ bám vào thành ống, gây khó khăn trong việc vệ sinh và làm sạch hoàn toàn cặn lắng do thiết kế phức tạp.

 Công suất trao đổi nhiệt giảm nhanh khi lượng lắng cặn, han gỉ tăng

 Giá thành cao hơn bộ trao đổi nhiệt dạng tấm trong cùng dải công suất

Khung bản là loại khung được tạo thành từ các tấm bản ghép vào các hộp rỗng nhiều ngăn, có bề mặt truyền nhiệt phẳng và các lỗ nối nhau tương ứng, giúp các lưu chất có lối chuyển động riêng biệt Để đảm bảo sự ngăn cách hoàn toàn giữa hai loại lưu chất, hệ thống sử dụng tấm đệm kín Bên ngoài hệ thống còn có các thanh giằng có ốc vặn nhằm ép chặt các tấm bản, tăng cường khả năng kín khí và hiệu quả truyền nhiệt.

Hình 2 9 Thiết bị trao đổi nhiệt dạng khung bản

 Vận tốc trao đổi nhiệt lớn

 Không làm việc ở áp suất cao

Bề mặt truyền nhiệt của thiết bị được làm từ các tấm kim loại cuộn theo dạng xoắn ốc, giúp tối ưu hóa quá trình truyền nhiệt Thiết bị gồm hai tấm kim loại (1) và (2), trong đó đầu trong của hai tấm này được hàn chắc chắn vào tấm ngăn (3) để đảm bảo kết cấu vững chắc và hiệu quả truyền nhiệt.

Hai phần (1) và (2) tạo thành một khe có tiết diện hình chữ nhật, qua đó chất tải nhiệt sẽ truyền đi trong các khe này Các đầu của thiết bị được cách kín bằng nắp (4), đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình truyền nhiệt.

Hình 2 10 Thiết bị trao đổi nhiệt loại xoắn ốc

1,2 - Tấm kim loại 3 - Tấm ngăn

 Cấu tạo gọn, vận tốc lớn

 Hai chất tải nhiệt hoàn toàn chuyển động ngược nhau, trợ lực thủy nhỏ

 Chế tạo, sửa chữa phức tạp

 Không làm việc ở áp suất cao trên 6at

Thường có hai kiểu: Gân dọc (1) và gân ngang (2) Nếu là truyền nhiệt giữa hai chất khí (1,

2 đều nhỏ) sẽ là thiết bị truyền nhiệt hình kim, nghĩa là cấu tạo gân ở hai bên có dạng hình kim (3) (Nguyễn Tấn Dũng, 2015)

Hình 2 11 Thiết bị trao đổi nhiệt loại ống gân

1 - Gân dọc 2 - Gân ngang 3 - Gân hình kim

Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Quá trình truyền nhiệt trong thiết bị dạng ống lồng ống là một ví dụ điển hình của quá trình truyền nhiệt phức tạp, bao gồm sự trao đổi nhiệt giữa hai lưu chất được ngăn cách bởi vách kim loại Trong quá trình này, nhiệt được truyền đối lưu từ dòng nóng đến thành ống, dẫn nhiệt qua thành ống kim loại và tạo điều kiện cho đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh và thành ống, góp phần nâng cao hiệu quả truyền nhiệt và tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt trong hệ thống.

Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống là loại trao đổi nhiệt gián tiếp đơn giản nhất, cấu tạo gồm một ống đồng tâm bên trong một ống lớn hơn với các phụ kiện để hướng dòng chảy Dòng lưu chất bên trong ống và trong khoảng không gian giữa hai ống có thể chảy cùng chiều, ngược chiều hoặc chéo nhau, giúp đáp ứng các yêu cầu về giảm áp suất và chênh lệch nhiệt độ trung bình Đây là thiết bị thích hợp để sưởi ấm hoặc làm mát chất lỏng xử lý trong diện tích truyền nhiệt nhỏ, đặc biệt khi một hoặc cả hai chất lỏng ở áp suất cao Tuy nhiên, bộ trao đổi nhiệt ống lồng ống thường cồng kềnh và chi phí cao trên mỗi mét vuông diện tích truyền nhiệt Ống bên trong có thể là ống đơn hoặc nhiều ống, và nếu hệ số truyền nhiệt thấp, có thể sử dụng ống với vây hướng trục để nâng cao hiệu suất truyền nhiệt Bộ trao đổi nhiệt này thường được chế tạo theo dạng mô-đun, giống như khái niệm kẹp tóc để dễ dàng lắp đặt và bảo trì.

Trong thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống, các dạng khác nhau đều có điểm chung là sử dụng hai dòng lưu chất gồm nóng và lạnh Nhiệt được truyền từ dòng lưu chất nóng sang dòng lạnh, gây ra sự thay đổi nhiệt độ của các dòng lưu chất so với ban đầu Quá trình này giúp tối ưu hóa hiệu suất truyền nhiệt, đảm bảo quá trình trao đổi nhiệt hiệu quả và ổn định trong hệ thống.

-Dòng lưu chất có nhiệt độ ban đầu lớn hơn sau quá trình hoạt động của thiết bị thì nhiệt độ của dòng lưu chất này sẽ giảm xuống.

-Dòng lưu chất lạnh ban đầu thì sau khi quá trình truyền nhiệt xảy ra thì nhiệt độ của dòng lưu chất này sẽ tăng lên.

Thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý truyền nhiệt giữa hai dòng lưu chất có nhiệt độ khác nhau thông qua hệ thống ống lồng Quá trình trao đổi nhiệt diễn ra ở khoảng không gian giữa hai ống và qua thành kim loại, bao gồm các bước dẫn nhiệt và đối lưu nhiệt Đầu tiên, nhiệt độ cao của dòng nóng truyền nhiệt đối lưu đến vách kim loại, tiếp theo là quá trình dẫn nhiệt qua thành ống, và cuối cùng là đối lưu nhiệt giữa dòng lạnh và thành ống, tạo nên quá trình truyền nhiệt hiệu quả (Nguyễn Tấn Dũng, 2013).

Hình 2 12 Sự biến thiên nhiệt độ của hai dòng lưu chất theo diện tích trao đổi nhiệt thiết bị ống lồng ống

Thiết bị gồm nhiều đoạn nối tiếp nhau, mỗi đoạn có hai ống lồng vào nhau để dễ dàng thay thế và vệ sinh Ống trong của mỗi đoạn nối với ống trong của đoạn khác, trong khi ống ngoài của từng đoạn liên kết với các đoạn khác qua các mối nối có mặt bích, giúp thuận tiện trong sửa chữa và bảo trì Ống ngoài được hàn kín với ống trong bằng mối hàn chắc chắn để đảm bảo an toàn và hiệu suất của hệ thống Chất tải nhiệt II chảy trong ống trong theo chiều từ dưới lên, còn chất tải nhiệt I chảy trong ống ngoài theo chiều từ trên xuống, và để nâng cao năng suất, người ta thường lắp đặt nhiều dãy làm việc song song (Nguyễn Tấn Dũng, 2015).

Hình 2 13 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống

Để hai loại ống có thể lồng vào nhau được, chúng cần có sự chênh lệch về đường kính, trong đó ống nhỏ hơn nằm bên trong và ống lớn hơn chứa cả ống nhỏ Độ lệch về đường kính của các loại ống này không cố định mà phụ thuộc vào yêu cầu về truyền nhiệt và mục đích cuối cùng của sản phẩm Nhà nghiên cứu sẽ tính toán kỹ lưỡng để chọn lựa các thiết bị phù hợp nhất, tối ưu hóa hiệu quả truyền nhiệt và chất lượng sản phẩm.

DỤNG CỤ VÀ PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM

Dụng cụ và thiết bị

-Hệ thống thiết bị thí nghiệm;

-Nồi đun nước có các điện trở gia nhiệt;

-Bơm nước lên hệ thống ống;

-Dụng cụ đo nhiệt độ.

Hình 2 14 Thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống trong phòng thí nghiệm: Xuôi dòng (bên trái) và ngược dòng (bên phải)

Phương pháp tiến hành thực nghiệm

Thiết bị bao gồm hai bể chứa nước, một bể chứa nước ấm (nóng) và một bể chứa nước lạnh, với nước được đổ ngập máy bơm để duy trì nhiệt độ ổn định Nhiệt độ của lưu chất nóng được giữ khoảng 38°C, trong khi đó nhiệt độ của lưu chất lạnh khoảng 18°C Quá trình thử nghiệm thực hiện bằng cách cố định lưu lượng của một dòng, thay đổi lưu lượng của dòng còn lại, và ghi nhận nhiệt độ của các dòng nước sau 20 giây ở đầu vào và đầu ra của cả hai bể Thực nghiệm được lặp lại 5 lần nhằm đảm bảo tính chính xác và lặp lại của kết quả, và quá trình này được thực hiện tương tự cho thiết bị còn lại để so sánh.

-Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống:

 L (m): Chiều dài ống trao đổi nhiệt

 d (m): Đường kính trung bình ống trao đổi nhiệt d=d 1 +d 2 2 Trong đó: d1, d2 (m): Đường kính trong và đường kính ngoài ống trao đổi nhiệt

-Vận tốc dòng lưu chất: v=G

 v (m/s): Vận tốc dòng lưu chất

 G (m 3 /s): Lưu lượng dòng lưu chất

 F (m 2 ): Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt

-Phương trình cân bằng năng lượng:

 G1, G2 (kg/s): Lưu lượng dòng nóng và dòng lưu chất lạnh

 C1, C2 (J/(kg/K)): Nhiệt dung riêng trung bình của hai dòng nóng và dòng lạnh

 tv1, tr1 (C): Nhiệt độ vào và ra của dòng nóng

 tv2, tr2 (C): Nhiệt độ vào và ra của dòng lạnh

 F (m 2 ): Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị

 K (W/(m 2 K)): Hệ số truyền nhiệt của thiết bị

 Δttb: Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit của hai dòng lưu chất nóng và lạnh

 Qs (W): Nhiệt lượng tổn thất của thiết bị

 Q1 (W): Nhiệt lượng trao đổi của dòng nóng

 Q2 (W): Nhiệt lượng trao đổi của dòng lạnh

-Độ chênh nhiệt độ trung bình logarit của hai dòng lưu chất:

-Hệ số truyền nhiệt của thiết bị:

-Hệ số truyền nhiệt cho vách ngăn nhiều lớp được tính theo công thức:

 α1, α2 (W/(m 2 K)): Hệ số cấp nhiệt ở 2 phía của vách ngăn

 r1, r2 (m2 K/W): Nhiệt trở của cặn bẩn ở 2 phía của vách ngăn

 δ i λ i (m 2 K/W): Nhiệt trở của vách ngăn thứ i

 δi (m): Bề dày vách ngăn thứ i

 λi (W/(m.K)): Hệ số dẫn nhiệt của vách ngăn thứ i

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Kết quả

 Nhiệt dung riêng của dòng lưu chất nóng và lạnh

Ta có nhiệt dung riêng của nước được tra ở Bảng I.149, trang 168, Sổ tay Quá trình và thiết bị Công nghệ hóa chất (Tập 1) (Nguyễn Bin và cộng sự, 2006).

Bảng 2 1 Nhiệt dung riêng của nước ở 1 at

Nhiệt dung riêng (kcal/(kg.K)) 1.006 0.999 0.998 Áp dụng phương trình hồi quy, ta tính được nhiệt dung riêng của nước ở 38 (C℃ 1) và 18℃ (C2):

Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của thiết bị ống lồng ống Đường kính trong của ống trao đổi nhiệt: d1 = 0.051 (m) Đường kính ngoài của ống trao đổi nhiệt: d2 = 0.089 (m)

Chiều dài ống trao đổi nhiệt: L = 0.8 (m)

Kết quả thực nghiệm trong khảo sát với thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống xuôi dòng

Bảng 2 2 Số liệu truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng cố định dòng nóng

Lưu lượng dòng nóng (m 3 /20s) Lưu lượng dòng lạnh

Bảng 2 3 Xử lý số liệu truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng cố định dòng nóng

Lưu lượng dòng nóng (kg/s) Lưu lượng dòng lạnh (kg/s) Nhiệt độ ( )℃ t v1 t r1 t v2 t r2

Bảng 2 4 Kết quả tính toán quá trình truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng cố định dòng nóng Đại lượng Dòng nóng Dòng lạnh

Vận tốc dòng lưu chất ʋ (m/s) υ 1.1 0.0000625 υ 2.1 0.0000170 υ 1.2 0.0000625 υ 2.2 0.0000227 υ 1.3 0.0000625 υ 2.3 0.0000341 υ 1.4 0.0000625 υ 2.4 0.0000369 υ 1.5 0.0000625 υ 2.5 0.0000455

Q s5 117.83 Độ chênh nhiệt độ trung bình Δt tb Δt tb1 0.5 Δt tb2 0.6 Δt tb3 0.9 Δt tb4 1.0 Δt tb5 0.4

Bảng 2 5 Số liệu truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng cố định dòng lạnh

Lưu lượng dòng nóng (m 3 /20s) Lưu lượng dòng lạnh (m 3 /20s)

Bảng 2 6 Xử lý số liệu truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng cố định dòng lạnh

Bảng 2 7 Kết quả tính toán quá trình truyền nhiệt ống lồng ống xuôi dòng cố định dòng lạnh Đại lượng Dòng nóng Dòng lạnh

 Kết quả thực nghiệm trong khảo sát với thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống ngược dòng

Bảng 2 8 Số liệu truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng cố định dòng nóng

Lưu lượng dòng nóng (m3/20s) Lưu lượng dòng lạnh (m3/20s) Nhiệt độ ( )℃ tv1 tr1 tv2 tr2

Bảng 2 9 Xử lý số liệu truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng cố định dòng nóng

Lưu lượng dòng Lưu lượng dòng Nhiệt độ ( )℃ nóng (kg/s) lạnh (kg/s) t v1 t r1 t v2 t r2

Bảng 2 10 Kết quả tính toán quá trình truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng cố định dòng nóng Đại lượng Dòng nóng Dòng lạnh

Bảng 2 11 Số liệu truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng cố định dòng lạnh

Lưu lượng dòng nóng (m3/20s) Lưu lượng dòng lạnh (m3/20s) Nhiệt độ ( )℃ tv1 tr1 tv2 tr2

Bảng 2 12 Xử lý số liệu truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng cố định dòng lạnh

Bảng 2 13 Kết quả tính toán quá trình truyền nhiệt ống lồng ống ngược dòng cố định dòng lạnh Đại lượng Dòng nóng Dòng lạnh

Bàn luận

Sau bài học và thực hành thí nghiệm, chúng em đã có thể tự vận hành thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống và hiểu rõ cơ chế hoạt động của thiết bị Quá trình thực hiện thí nghiệm giúp nâng cao kỹ năng vận hành và đo đạc chính xác, đồng thời nhận biết các nguyên nhân gây sai số trong quá trình sử dụng thiết bị trao đổi nhiệt ống lồng ống.

-Đối với thiết bị ống lồng ống xuôi dòng ta thấy:

Hệ số truyền nhiệt không cố định và thay đổi theo vận tốc dòng lưu chất Trong thí nghiệm ống lồng ống xuôi dòng, khi dòng nóng được cố định, hệ số truyền nhiệt K2 tăng cùng với sự tăng của vận tốc dòng lạnh Ngược lại, khi dòng lạnh cố định, hệ số truyền nhiệt K2 ban đầu giảm rồi tăng lên khi vận tốc dòng nóng giảm.

Nhiệt lượng tổn thất của thiết bị tăng lên khi vận tốc dòng lưu chất nóng giảm, gây ảnh hưởng đến hiệu suất vận hành Trong khi đó, nhiệt lượng tổn thất của thiết bị khi lưu chất lạnh tăng không ổn định, thường xuyên biến đổi do sự dao động của vận tốc dòng chảy Hiểu rõ mối liên hệ giữa vận tốc dòng lưu chất và nhiệt lượng tổn thất giúp tối ưu hóa hệ thống và nâng cao hiệu quả năng lượng.

-Đối với thiết bị ống lồng ống ngược dòng ta thấy:

Hệ số truyền nhiệt không cố định và thay đổi theo vận tốc dòng lưu chất Trong thí nghiệm ống lồng ống ngược dòng, khi duy trì dòng nóng cố định, hệ số truyền nhiệt K2 tăng khi vận tốc dòng lạnh tăng Ngược lại, khi giữ dòng lạnh cố định, vận tốc dòng nóng giảm nhưng hệ số truyền nhiệt K2 lại biến động, tăng giảm thất thường.

Nhiệt lượng tổn thất của thiết bị không ổn định khi vận tốc dòng lưu chất lạnh tăng, dẫn đến dao động trong mức nhiệt tổn thất Ngược lại, khi vận tốc dòng lưu chất nóng giảm, nhiệt lượng tổn thất ban đầu tăng nhưng sau đó lại giảm xuống, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống Hiểu rõ cách vận tốc dòng lưu chất tác động đến nhiệt lượng tổn thất là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả và tiết kiệm năng lượng.

 Nguyên nhân gây sai số:

-Do trong quá trình tiến hành thí nghiệm, việc duy trì nhiệt độ của 2 bể bằng nước sôi và đá không thể cho được nhiệt độ chính xác.

Trong quá trình tính toán, việc đọc nhiệt độ căn không đúng thời điểm hoặc bị lố thời gian, kết hợp với ghi chép và xử lý số liệu không cẩn thận, dẫn đến sai số trong kết quả đo lường.

-Do các thao tác của người tiến hành chưa đạt đến độ chính xác cao và do thiết bị cảm biến gặp trục trặc vấn đề.

Ống không được bọc lớp cách nhiệt gây ra thất thoát nhiệt do sự trao đổi nhiệt giữa ống và môi trường bên ngoài Độ dài của đường ống càng lớn, lượng nhiệt tổn thất càng cao Đặc biệt, các ống làm bằng đồng không có lớp cách nhiệt làm tăng khả năng hao hụt nhiệt ra môi trường xung quanh, ảnh hưởng đến hiệu quả truyền nhiệt.

-Cặn bẩn trên đường ống cũng làm tổn hao nhiệt lượng.

-Kiểm tra vật dụng thí nghiệm kỹ càng trước khi tiến hành thí nghiệm, thao tác chính xác. -Thực hiện thí nghiệm cẩn thận.

-Đọc và ghi số liệu cẩn thận, chính xác.

-Tiến hành thí nghiệm lặp lại nhiều lần.

TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH LẠNH ĐÔNG

Khái niệm lạnh động

Điểm đóng băng là nhiệt độ khi nước trong thực phẩm bắt đầu chuyển từ thể lỏng sang thể rắn ở một áp suất cố định, còn gọi là điểm đóng băng Quá trình này xảy ra khi nhiệt độ giảm xuống đến mức nước bắt đầu đông đặc, giúp bảo quản thực phẩm hiệu quả hơn Hiểu rõ điểm đóng băng rất quan trọng trong công nghệ thực phẩm và quá trình bảo quản, nhằm duy trì chất lượng và độ tươi ngon của sản phẩm.

Nước trong thực phẩm không phải là nước tinh khiết mà tồn tại dưới dạng dung dịch hoặc liên kết, khiến điểm đóng băng của nó thấp hơn 0°C Điều này có thể được giải thích bằng định luật Raoult, ΔTkt = -Kd.ΔC, nơi độ giảm nhiệt độ kết tinh phụ thuộc vào nồng độ chất hòa tan trong dung dịch Điểm đóng băng của nước trong thực phẩm thường dao động từ -0,5°C đến -2,5°C, tùy thuộc vào loại thực phẩm; ví dụ, cá biển có điểm đóng băng khoảng -1,0°C đến -1,5°C, cá nước ngọt từ -0,5°C đến -1,0°C, tôm biển từ -2,0°C đến -2,5°C, còn rau củ quả từ -0,5°C đến -1,0°C.

Cấp đông là quá trình bảo quản thực phẩm bằng cách giảm nhiệt độ của sản phẩm xuống dưới nhiệt độ mà nước trong sản phẩm kết tinh.

Lạnh đông sản phẩm là quá trình hạ nhiệt độ của thực phẩm xuống dưới điểm đông đặc, giúp nước trong thực phẩm chuyển từ thể lỏng sang thể rắn Quá trình này làm mất môi trường sống của vi sinh vật và ngăn chặn hoạt động thủy sinh trong thực phẩm Lạnh đông giúp ngưng quá trình sinh hóa và chuyển hóa, từ đó kéo dài thời gian bảo quản, phục vụ mục đích thương mại, xuất khẩu và tiêu dùng.

Quá trình cấp đông giúp hạn chế hoạt động của vi sinh vật, đặc biệt là vi sinh vật ưa lạnh, từ đó ngăn chặn quá trình hư hỏng thực phẩm và duy trì chất lượng sản phẩm Đây là phương pháp tối ưu để giữ thực phẩm tươi ngon lâu dài, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm.

Các hiện tượng xảy ra trong quá trình lạnh đông

3.1.2.1 Sự kết tinh của nước trong thực phẩm

Khi hạ nhiệt độ thực phẩm xuống điểm kết tinh (Tkt), quá trình cấp đông bắt đầu với nhiệt độ bên ngoài giảm trước, sau đó đến tâm thực phẩm, nơi các mầm tinh thể bắt đầu hình thành bên trong Trong các khoảng giữa các tế bào (gian bào), quá trình chuẩn bị kết tinh diễn ra, khi nhiệt độ xuống dưới điểm kết tinh, nước trên bề mặt và trong gian bào sẽ kết tinh trước Nước kết tinh khiến các chất tan trong gian bào tăng nồng độ, dẫn đến sự di chuyển nước từ trong tế bào ra ngoài do áp suất thẩm thấu, tuy nhiên, quá trình này thường ít xảy ra do tốc độ đông đặc nhanh hơn tốc độ tăng nồng độ Khi nồng độ chất tan trong gian bào tăng, nhiệt độ bên trong tế bào đã hạ xuống dưới mức đóng băng, khiến nước trong tế bào đã đóng băng trước khi kịp thoát ra ngoài Sự đông đặc làm thay đổi nhiệt độ kết tinh theo định luật Raoult, do quá trình tách nước ra khỏi dung dịch bằng cách đóng băng làm nồng độ chất tan tăng lên, từ đó làm giảm nhiệt độ kết tinh.

3.1.2.2 Sự mất nước của thực phẩm khi lạnh đông

Khi chưa đóng băng nước, nước sẽ bốc hơi từ bề mặt thực phẩm vào môi trường lạnh do sự chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước và nhiệt độ giữa bề mặt sản phẩm và môi trường đông lạnh, làm cho bề mặt thực phẩm trở nên khô và tăng khả năng đóng băng bề mặt Để khắc phục hiện tượng này, thường tạo môi trường cấp đông có độ ẩm cao hoặc đổ đầy nước vào khay đựng hoặc túi ni lông trước khi cấp đông nhằm duy trì độ ẩm và hạn chế mất nước Sau khi cấp đông nước, do chênh lệch nhiệt độ, nước di chuyển từ nơi có nhiệt độ cao đến nơi có nhiệt độ thấp, dẫn đến quá trình kết tinh sớm hơn ở nhiệt độ thấp, làm tăng nồng độ và gây tách nước khỏi dung dịch, khiến lượng nước tự do ngày càng tăng khi tan băng Tuy nhiên, phần nước bị mất đi do cấu trúc và tính chất của các chất đã bị thay đổi, không thể trở lại trạng thái ban đầu Thêm vào đó, trong quá trình bảo quản, hiện tượng thăng hoa nước đá xảy ra do chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước và nhiệt độ giữa bề mặt sản phẩm và không khí trong kho đông, gây hao hụt khối lượng và giảm chất lượng của sản phẩm.

3.1.2.3 Hiện tượng cháy lạnh thực phẩm trong quá trình lạnh đông

Trong quá trình cấp đông, hiện tượng bốc hơi nước hoặc thăng hoa nước đá từ bề mặt thực phẩm vào môi trường lạnh gây mất nước và làm khô bề mặt sản phẩm Khi nhiệt độ môi trường đóng băng dưới -50 °C, hiện tượng bỏng lạnh dễ xảy ra, làm bề mặt thực phẩm bị oxy hóa, biến tính và không thể phục hồi sau rã đông Hiện tượng này làm giảm giá trị cảm quan, hao hụt khối lượng và ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng của sản phẩm đông lạnh.

3.1.2.4 Mạ băng sản phẩm sau đông lạnh

Mạ băng là quá trình tạo lớp băng mỏng trên bề mặt sản phẩm đông lạnh bằng cách phun hoặc nhúng vào nước, giúp bảo vệ sản phẩm khỏi phản ứng oxy hóa và hạn chế thăng hoa của tinh thể nước đá Quá trình này còn giúp đánh bóng bề mặt, che phủ các vùng bị đông cứng hoặc oxy hóa, từ đó nâng cao giá trị cảm quan của sản phẩm Việc tiếp xúc trực tiếp với nước thay vì không khí giúp giảm thiểu phản ứng oxy hóa và duy trì chất lượng sản phẩm Trong kỹ thuật đông lạnh, tỷ lệ mạ băng tối đa là 5% để đảm bảo hiệu quả bảo quản và chất lượng sản phẩm Quá trình cấp đông cần quan tâm đến sự thay đổi nhiệt độ của sản phẩm, ảnh hưởng đến quy trình bảo quản và kỹ thuật thương mại.

Các phương pháp lạnh đông

Các phương pháp lạnh đông được phân chia dựa trên tốc độ làm lạnh và tác nhân lạnh đông gồm có phương pháp lạnh đông chậm, phương pháp lạnh đông nhanh hoặc siêu nhanh (cực nhanh), phương pháp lạnh đông trực tiếp và phương pháp lạnh đông gián tiếp, nhằm tối ưu hóa quá trình bảo quản thực phẩm và duy trì chất lượng tốt nhất.

3.1.3.1 Phương pháp lạnh đông chậm

Khi nhiệt độ môi trường cấp đông giảm chậm và rất chậm, đạt -35°C đến -30°C trong khoảng 4-6 giờ, tốc độ giảm nhiệt đồng bộ giúp hình thành các hạt tinh thể băng lớn hơn, làm rách màng tế bào và phá vỡ cấu trúc sinh học của sản phẩm Quá trình này dẫn đến sự hình thành các lỗ hổng trên màng tế bào, gây thoát ẩm và giảm chất lượng khi rã đông do các dưỡng chất bị thoát ra vào dịch đá tan chảy Ngoài ra, sự thăng hoa của nước đá làm hút các chất dinh dưỡng, gây biến tính protein, ảnh hưởng tiêu cực đến khả năng giữ nước và các tính chất sinh hóa của sản phẩm Mặc dù lỗ tế bào lớn làm giảm áp suất thẩm thấu, nâng cao khả năng thoát hơi nước, phương pháp làm lạnh chậm hiện nay ít được sử dụng vì gây tổn hại lớn đến cấu trúc và chất lượng thực phẩm, không phù hợp với mục tiêu bảo quản lâu dài.

Phương pháp đông lạnh chậm vẫn được sử dụng để bảo quản một số loại trái cây và rau củ nhằm chế biến thành nước ép và trong các hỗn hợp thực phẩm dạng huyền phù Quá trình làm đông tinh thể trong đông lạnh chậm có lợi vì phá vỡ cấu trúc tế bào, từ đó tăng năng suất và hiệu quả trong sản xuất nước rau quả Vì vậy, đông lạnh chậm chỉ phù hợp để giữ bán thành phẩm lâu dài, giúp gia tăng thời gian gia công và nâng cao chất lượng các sản phẩm chế biến sau này.

3.1.3.2 Phương pháp lạnh đông nhanh hoặc siêu nhanh (cực nhanh)

Nhiệt độ của môi trường đông lạnh giảm nhanh xuống dưới -45°C hoặc -50°C trong vòng 5-10 phút, giúp tốc độ cấp đông đạt từ 1.5 đến 3.0 cm/h, sau đó nhanh hơn lên tới 3.0-5.0 cm/h trong quá trình cấp đông siêu nhanh Quá trình này hình thành các hạt tinh thể nhỏ đồng thời, không cho phép hình thành các mầm tinh thể lớn, giúp giữ nguyên độ ẩm của sản phẩm và ngăn ngừa tổn thương tế bào cũng như phá vỡ cấu trúc protein Nhờ đó, cấu trúc và đặc tính sinh hóa của sản phẩm được bảo toàn trong quá trình đông lạnh và rã đông Mặc dù quá trình làm lạnh nhanh ở nhiệt độ sâu dưới -50°C rất hiệu quả, nhưng cũng dễ gây ra hiện tượng cháy lạnh bề mặt, khiến sản phẩm khó phục hồi trạng thái ban đầu và giảm chất lượng Vì vậy, việc nghiên cứu và tối ưu chế độ công nghệ cấp đông nhanh vẫn cần thiết để bảo quản thực phẩm hiệu quả nhất.

Thực phẩm tươi đông lạnh có chất lượng tốt nhất nhờ cấu trúc và liên kết nước còn nguyên vẹn, giúp giữ nguyên độ tươi ngon và giá trị dinh dưỡng Trong khi đó, thực phẩm kém chất lượng dễ mất liên kết nước, tăng tỷ lệ nước tự do, giảm đàn hồi cấu trúc, khiến tinh thể nước khuếch tán mạnh hơn và phá vỡ cấu trúc tế bào Điều này dẫn đến khi băng tan, các cấu trúc dinh dưỡng bị phá vỡ, mất đi độ đàn hồi, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng của thực phẩm.

3.1.3.3 Phương pháp lạnh đông gián tiếp

Thường sử dụng tác nhân không khí lạnh đối lưu tự nhiên hoặc cưỡng bức để giảm nhiệt độ môi trường cấp đông từ -40°C xuống -45°C nhằm làm đông sản phẩm hiệu quả Phương pháp lạnh đông chậm phổ biến áp dụng không khí đối lưu tự nhiên, trong khi phương pháp lạnh đông nhanh thường sử dụng truyền nhiệt đối lưu cưỡng bức Ngoài ra, có thể sử dụng hỗn hợp nước muối hoặc các chất làm mát thân thiện với môi trường, an toàn cho thực phẩm và sức khỏe con người để nâng cao hiệu quả làm lạnh.

3.1.3.4 Phương pháp lạnh đông trực tiếp

Tủ đông tiếp xúc thường được sử dụng để làm đông các sản phẩm nhanh chóng, với nhiệt độ bay hơi từ -45°C đến -50°C, chủ yếu bằng phương pháp dẫn truyền nhiệt qua các khay đặt giữa các máy lắc đông lạnh Phương pháp này mang lại khả năng làm lạnh tốc độ tương đối nhanh, phù hợp để bảo quản thực phẩm thông thường Ngoài ra, làm đông trực tiếp bằng môi chất lạnh Nitơ lỏng, với nhiệt độ bay hơi rất thấp là -196°C, cho phép làm đông cực kỳ nhanh chỉ trong vòng 5-10 phút, nhưng có chi phí cao, thường được sử dụng cho các sản phẩm có giá trị kinh tế cao và yêu cầu chất lượng cao.

Cơ sở lý thuyết của quá trình lạnh đông

Quá trình lạnh đông trải qua các giai đoạn như sau:

Hình 3 1 Quá trình lạnh đông thực phẩm

AB: làm lạnh; BC: quá lạnh; CD: kết tinh ẩm; DE: lạnh đông sâu; ABCDE là đường lạh đông lý thuyết; ABCD’E là đường lạnh đông thực tế

Trong giai đoạn 1 gồm hai phần chính là làm lạnh (AB) và quá lạnh (BC), quá trình làm lạnh (AB) giúp giảm nhiệt độ thực phẩm từ 25°C xuống dưới điểm kết tinh Tkt = 0°C, trong khi độ ẩm vẫn chưa kết tinh; sau đó, trong giai đoạn quá lạnh (BC), xảy ra hiện tượng chậm trễ chuyển pha của ẩm từ dạng lỏng sang dạng rắn, dẫn đến nhiệt độ thực phẩm bắt đầu tăng lên điểm kết tinh Tkt = 0°C, gọi là hiện tượng quá lạnh của thực phẩm.

Trong giai đoạn 2 của quá trình kết tinh, nếu giữ nhiệt độ kết tinh không đổi (Tkt const), quá trình diễn biến theo đường CD theo lý thuyết trong môi trường lạnh đông có nhiệt độ âm sâu (T∞ ≪ Tkt) Tuy nhiên, thực tế, quá trình kết tinh ẩm trong thực phẩm diễn ra theo đường CD’ do lớp ngoài cùng kết tinh trước, sau đó lần lượt các lớp bên trong kết tinh, làm tăng nồng độ ẩm và giảm nhiệt độ kết tinh của chúng (Tkt giảm theo đường CD’).

Kết thúc giai đoạn lạnh đông, độ ẩm của thực phẩm cần đạt hoàn toàn (đối với quá trình sấy thăng hoa) hoặc tối thiểu là trên 86% (đối với bảo quản lạnh đông) Nhiệt độ của thực phẩm tại thời điểm này gọi là nhiệt độ lạnh đông thích hợp, đảm bảo quá trình bảo quản hiệu quả và giữ chất lượng sản phẩm.

Giai đoạn 3 trong quá trình bảo quản lạnh đông là giai đoạn cân bằng nhiệt giữa lý thuyết (DE) và thực tế (D’E), giúp giảm nhiệt độ thực phẩm từ mức lạnh đông phù hợp xuống đến nhiệt độ cuối cùng Te (0°C) Quá trình này diễn ra trong kho bảo quản lạnh đông duy trì nhiệt độ thấp hơn Te, nhằm đảm bảo nguyên liệu giữ được chất lượng tối đa Trong giai đoạn này, các biến đổi của nguyên liệu thực phẩm trong quá trình lạnh đông được kiểm soát chặt chẽ để duy trì độ tươi và độ an toàn.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lạnh đông

3.1.6.1 Bản chất của nguyên liệu

Kích thước và hình dạng của nguyên liệu đóng vai trò quan trọng trong quá trình truyền nhiệt và cấp đông, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả quá trình trao đổi nhiệt Diện tích truyền nhiệt càng lớn, quá trình truyền nhiệt càng nhanh, giúp tiết kiệm thời gian và năng lượng Vật liệu có kích thước nhỏ hơn sẽ làm giảm thời gian cần thiết để nhiệt độ ở trung tâm đạt mức mong muốn Ngoài ra, vật liệu có hình dạng đối xứng sẽ đảm bảo mức độ đồng đều nhiệt trong toàn bộ nguyên liệu, nâng cao hiệu quả bảo quản.

Độ ẩm ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình cấp đông của sản phẩm, đặc biệt là khả năng giãn nở và thời gian hoàn tất quá trình đông lạnh Khi điều kiện nhiệt độ và hàm lượng ẩm càng cao, thời gian cấp đông sẽ kéo dài hơn, đồng thời năng lượng tiêu thụ để hoàn thành quá trình này cũng tăng lên Vì vậy, kiểm soát độ ẩm là yếu tố quan trọng để tối ưu hóa hiệu quả và tiết kiệm năng lượng trong quá trình đông lạnh sản phẩm.

Trong quá trình cấp đông, tính chất nhiệt của vật liệu như nhiệt dung riêng và hệ số dẫn nhiệt đóng vai trò quan trọng đối dengan đến hiệu quả và tốc độ đông đá Nhiệt dung riêng càng lớn sẽ tiêu tốn nhiều năng lượng hơn trong quá trình làm đông, trong khi vật liệu có độ dẫn nhiệt cao giúp quá trình đóng băng diễn ra nhanh chóng và đồng đều hơn Các đặc tính này phụ thuộc vào thành phần hóa học và cấu trúc của vật liệu, đồng thời cần đặc biệt chú ý đến nhiệt dung riêng và độ dẫn nhiệt của bao bì trong các sản phẩm thực phẩm đóng gói để đảm bảo chất lượng tốt nhất.

3.1.6.2 Các thông số công nghệ

Nhiệt độ cấp đông càng thấp, quá trình đông đá diễn ra càng nhanh, giúp bảo quản nguyên liệu hiệu quả hơn Tuy nhiên, việc chọn nhiệt độ phù hợp cần cân nhắc giữa tốc độ cấp đông và chi phí đầu tư thiết bị cũng như vận hành Do đó, quyết định về nhiệt độ cấp đông phải dựa trên đặc tính của từng loại nguyên liệu và phương pháp đông lạnh được áp dụng, nhằm tối ưu hóa hiệu quả và tiết kiệm chi phí.

Điều kiện nhiệt đối lưu đóng vai trò quan trọng trong quá trình đông đặc, khi sự truyền nhiệt đối lưu giữa bề mặt nguyên liệu và môi chất làm lạnh càng mạnh thì quá trình làm đông diễn ra càng nhanh Hiệu quả truyền nhiệt này được đo bằng hệ số truyền nhiệt đối lưu, vốn phụ thuộc vào loại môi trường và điều kiện của quá trình làm lạnh đông, góp phần tối ưu hóa hiệu suất làm đông và giảm thời gian xử lý.

Thời gian thực hiện quá trình cấp đông phụ thuộc vào đặc tính của nguyên liệu, nhiệt độ tiến hành cấp đông và phương pháp làm lạnh được sử dụng Việc tính toán chính xác thời gian hoàn thành quá trình đông lạnh rất quan trọng để đảm bảo chất lượng sản phẩm, nhất là khi quá trình này thường phức tạp do nhiều yếu tố ảnh hưởng như tính chất nguyên liệu và kỹ thuật đông lạnh.

 Sự đa dạng về kích thước, hình dạng, cấu trúc và thành phần hóa học của thực phẩm

 điểm đông đặc và tốc độ hình thành các tinh thể nước đá ở những nơi khác nhau ở các nguyên liệu thực phẩm thường khác nhau

 Khi nhiệt độ của nguyên liệu thay đổi thì khối lượng riêng, nhiệt dung riêng, hệ số dẫn nhiệt, khả năng tỏa nhiệt của nguyên liệu đều thay đổi.

NGUYÊN VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN

KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN

Tiêu đề	Báo cáo thí nghiệm quá trình và thiết bị trong công nghệ thực phẩm bài thực hành số 1 thí nghiệm sấy vật liệu ẩm
Tác giả	Nhóm 2
Người hướng dẫn	ThS. Đỗ Thùy Khánh Linh
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Thực Phẩm
Thể loại	Báo cáo thí nghiệm
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Thành phố Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	63
Dung lượng	14,89 MB