Thiết lập chế độ sấy vi sóng tối ưu cho nấm rơm bằng phương pháp tối ưu hóa đa mục tiêu trên cơ sở thuật toán vượt khe

Phương thức truyền lan của sóng điện từ trong không gian 15 Hình 5: Tổng quan phương thức truyền sóng điện từ và sự suy hao trong quá trình Hình 6: Tần số và bước sóng tương ứng của sóng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-Phạm Thế Văn

THIẾT LẬP CHẾ ĐỘ SẤY VI SÓNG TỐI ƯU CHO NẤM RƠM BẰNG PHƯƠNG PHÁP TỐI

ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU TRÊN CƠ SỞ THUẬT TOÁN VƯỢT KHE

Chuyên ngành : Kỹ thuật nhiệt

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của tập thể hướng dẫn Tất cả những tài liệu mà luận văn có trích dẫn đã được liệt kê đầy đủ và rõ ràng, ngoài ra tác giả không trích dẫn bất kỳ tài liệu nào khác Các số liệu và kết quả nghiên cứu nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai khác công bố trong bất kỳ công trình nào

Tác giả luận văn

Phạm Thế Văn

LỜI CẢM ƠN

Trước hết, tôi xin trân trọng cảm ơn Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, Viện Đào tạo Sau Đại học và các thầy, cô giảng viên của Viện Khoa học & Công nghệ Nhiệt Lạnh, Viện Công nghệ Sinh học và Công nghệ Thực phẩm đã tạo điều kiện thuận lợi và góp nhiều ý kiến quý báu giúp tôi hoàn thành luận văn này

Đặc biệt, tôi xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới GVC.TS Nguyễn Đức Trung đã hết lòng hướng dẫn, giúp đỡ, tin tưởng và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Tôi cũng xin chân thành cảm ơn những đóng góp quý báu và nhiệt thành của

cố PGS.VS.TSKH Nguyễn Văn Mạnh đã góp phần hoàn thiện luận văn của tôi Tôi xin chân thành cảm ơn!

Tác giả luận văn

CHV.KS Phạm Thế Văn

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

LỜI CẢM ƠN 3

MỤC LỤC 4

LỜI MỞ ĐẦU 6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 9

1.1 ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH SẤY 9

1.1.1 Quá trình sấy 9

1.1.2 Động lực sấy 9

1.1.3 Các phương pháp sấy 10

1.1.4 Tác nhân sấy không khí 11

1.1.5 Tác nhân sấy khói lò 11

1.1.6 Năng lượng vi sóng 12

1.1.7 Chân không 12

1.1.8 Ẩm trong vật liệu 13

1.2 SẤY VI SÓNG 14

1.2.1 Kỹ thuật sấy vi sóng 14

1.2.2 Bức xạ nhiệt bằng điện từ bằng công nghệ vi sóng 17

1.2.3 Một số đặc thù và lưu ý trong tính toán, thiết kế, chế tạo, vận hành và điều khiển các hệ thống gia nhiệt ứng dụng công nghệ vi sóng 24

1.2.4 Cấu tạo của hệ thống sấy vi sóng 28

1.2.5 Hệ số tiêu hao năng lượng SMER 34

1.2.6 Hệ số co ngót sản phẩm 35

1.3 TỔNG QUAN VỀ NẤM RƠM 35

1.3.1 Nguồn gốc và đặc điểm thực vật học 35

1.3.2 Thành phần dinh dưỡng và giá trị của nấm rơm 37

1.3.3 Tình hình sản xuất và tiêu thụ, thị trường của nấm rơm 39

1.4 MỤC TIÊU LUẬN VĂN 42

CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT TỐI ƯU HÓA VÀ TỐI ƯU HÓA 43

HÀM ĐA MỤC TIÊU TRÊN CƠ SỞ LÝ THUYẾT VƯỢT KHE 43

2.1 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU 43

2.2 PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TOÁN TỐI ƯU HÓA ĐA MỤC TIÊU 46

2.3 KHÁI QUÁT VỀ BƯỚC CHUYỂN ĐỘNG TRONG QUÁ TRÌNH TỐI ƯU HÓA LẶP 50

2.4 Nguyên lý chuyển động vượt khe 55

2.5 PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH BƯỚC VƯỢT KHE 57

2.5.1 Xác định bước vượt khe dựa theo đạo hàm 57

2.5.2 Xác định bước vượt khe dựa theo giá trị hàm 58

2.6 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ THUẬT TOÁN TỐI ƯU HÓA VƯỢT KHE 61

2.7 BƯỚC VƯỢT KHE VÀ HƯỚNG TRỤC GIAO TỰA NÓN (HƯỚNG CHIỀU AFFINE) 62

CHƯƠNG 3: BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM VÀ XỬ LÝ SỐ LIỆU XÁC ĐỊNH CHẾ ĐỘ SẤY TỐI ƯU 69

3.1 THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM 69

3.2 PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM 72

3.2.1 Phương pháp lấy mẫu và xử lý mẫu 72

3.2.2 Nghiên cứu về sự biến đổi hàm lượng protein của nấm rơm và sự thay đổi chỉ số SMER trong các điều kiện khác nhau về chỉ số công suất riêng phần và tốc độ gió trong sấy vi sóng 73

3.2.3 Xác định hàm lượng protein 74

3.2.4 Phương pháp xác định suất tiêu hao năng lượng sấy (SMER) 75

3.2.5 Kết quả thí nghiệm 76

3.3 CHUẨN HÓA CÁC HÀM MỤC TIÊU 77

3.4 THỐNG NHẤT CÁC HÀM MỤC TIÊU 80

3.5 THIẾT LẬP HÀM MỤC TIÊU TƯƠNG ĐƯƠNG VÔ ĐIỀU KIỆN 81

3.6 CỰC TIỂU HÓA HÀM MỤC TIÊU TƯƠNG ĐƯƠNG 82

3.7 KẾT LUẬN 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 86

PHỤ LỤC I:CODE PASCAL 88

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 3 Tổng quan về phạm vi ứng dụng phát nhiệt của sóng điện từ (vùng dải tần

Hình 4 Phương thức truyền lan của sóng điện từ trong không gian 15 Hình 5: Tổng quan phương thức truyền sóng điện từ và sự suy hao trong quá trình

Hình 6: Tần số và bước sóng tương ứng của sóng điện từ tại các vùng 17 Hình 7: Truyền lan của vi sóng trong lồng kim loại tạo ra bức xạ nhiệt 18 Hình 8 Điều kiện biên của hệ phương trình Maxwell cho vật thể bất kỳ trong không

Hình 9 Phản ứng và hệ số điện môi suy hao của nước, kim loại, phi kim 25 Hình 10: Sự phát nhiệt mạnh mẽ hơn ở các phân tử nước gây ra bởi sự thay đổi hướng liên tục theo thời gian do sự biến thiên của sóng điện từ 26 Hình 11: Sự phân bố không đồng đều công suất phát ra trên khối vật liệu 27 Hình 12: So sánh sự phân bố nhiệt độ giữa các trường hợp có và không sử dụng

Hình 15: Đặc tính điều khiển điện áp vi sóng bằng TRIAC 32 Hình 16: Bộ điều khiển đầu phát vi sóng bẳng IGBT 32

Hình 20: Cực đại của của f(x) cũng chính là cực tiểu của –f(x) 43

Hình 22: Sự biến thiên hàm mục tiêu dọc theo hướng chuyển động 56 Hình 23: Lưu đồ thuật toán xác định bước vượt khe dựa theo đạo hàm theo hướng

58 Hình 24: Dấu hiệu vượt khe dựa theo giá trị hàm tại ba điểm liên tiếp 59 Hình 25:Xác định bước vượt khe dựa theo giá trị hàm 60

Hình 28: Quá trình cực tiểu hoá theo thuật toán VAF 65

Hình 30: Mô hình hóa hàm kết quả thí nghiệm ảnh hưởng tốc độ gió và công suất vi

Hình 31: Các hệ số phương trình hai ẩn dạng bậc 2 trơn từng khúc của hàm H1 78 Hình 32: Mô hình hóa hàm kết quả thí nghiệm ảnh hưởng tốc độ gió và công suất vi

Hình 33: Các hệ số phương trình hai ẩn dạng bậc 2 trơn từng khúc của hàm H11 80

Hình 34: Lập trình giải bài toàn tối ưu hóa tìm được bằng thuật toán vượt khe

LỜI MỞ ĐẦU

Nấm rơm là một loại thực phẩm phổ biến, được nhiều người ưa thích ở nước ta cũng như các nước trong khu vực Nấm rơm chứa đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết, tuy ở tỷ lệ thấp, được sử dụng để chế biến nhiều loại sản phẩm khác nhau, tạo nên hương vị đặc biệt cho thực phẩm Hàm lượng protein trong nguyên liệu nấm rơm cao, nấm rơm còn là nguồn thực phẩm giàu các chất khoáng và các acid amin không thay thế, các vitamin A, D, B, E, … không độc tố

Tuy nhiên trong nấm rơm có hàm lượng nước tương đối cao và hư hỏng nhanh

so với các loại thực phẩm khác Do đó, việc áp dụng công nghệ chế biến và bảo quản cho nấm rơm như phơi, sấy khô, muối, đóng hộp là nhu cầu tất yếu Trong đó phương pháp phơi và sấy khô là thông dụng

Nấm rơm thông thường được sử dụng tươi, nhưng hiện nay mặt hàng nấm sấy càng ngày càng được chú trọng vì khả năng bảo quản và ứng dụng của nó trong công nghệ thực phẩm ngày càng cao và thị trường nấm sấy xuất khẩu cũng được tập trung Vậy muốn sản phẩm sấy có chất lượng tốt đòi hỏi có chế độ sấy tốt và phương pháp sấy thích hợp Đa số các phương pháp sấy hiện nay thường tồn tại một

số nhược điểm như: thời gian sấy dài, chất lượng cảm quan sau sấy chưa tốt, an toàn vệ sinh thực phẩm chưa được đảm bảo, thành phần dinh dưỡng bị suy giảm Trong bối cảnh đó, sấy vi sóng nổi lên như là một phương pháp sấy giải quyết được phần lớn các vấn đề trên: thời gian sấy, chất lượng kết quả cảm quan sau sấy, giá trị dinh dưỡng và an toàn vệ sinh thực phẩm

Do đó, tôi tiến hành nghiên cứu đề tài:”

k e” Nhằm mục đích nghiên cứu khả năng tối ưu cho phương pháp sấy vi sóng đối

với đối tượng nấm rơm

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 ĐỘNG LỰC HỌC QUÁ TRÌNH SẤY

1.1.1 Quá trình s y

Quá trình sấy là quá trình chất lỏng hoặc hơi của nó mà chủ yếu là nước hoặc hơi nước nhận năng lượng để dịch chuyển từ trong lòng vật liệu sấy ra bề mặt và nhờ tác nhân sấy đưa ra môi trường xung quanh Quá trình sấy là quá trình truyền nhiệt - truyền chất xảy ra đồng thời

Trong lòng VLS đó là quá trình dẫn nhiệt và khuyếch tán ẩm hỗn hợp Trao đổi nhiệt - ẩm giữa bề mặt VLS với môi trường hay TNS là quá trình trao đổi nhiệt

và trao đổi ẩm đối lưu liên hợp Quá trình sấy là quá trình phức hợp Bên cạnh đó, các quá trình khác có thể diễn ra như quá trình bức xạ nhiệt hình thành từ các tác nhân vật lý khác nhau Việc nghiên cứu, thiết kế quá trình và thiết bị sấy luôn gắn liền việc sử dụng các đồ thị I-d của tác nhân sấy, trong đó tác nhân sấy phổ biến nhất là không khí

1.1.2 Đ ng lực s y

Quá trình sấy là quá trình phức hợp của các quá trình truyền nhiệt, chuyển khối xảy ra đồng thời Bên cạnh đó, các quá trình khác có thể diễn ra như quá trình bức xạ nhiệt hình thành từ các tác nhân vật lý khác nhau Để quá trình sấy xảy

ra, vật liệu sấy nhận được nguồn năng lượng theo một phương thức nào đó khiến cho ẩm từ trong lòng vật liệu dịch chuyển ra bề mặt và từ bề mặt khuếch tán vào môi trường Cả hai quá trình này được đặc trưng bởi động lực dịch chuyển

ẩm L1 và L2 tương ứng; L1 tỉ lệ thuận với hiệu số (pt – pbm ) còn L2 tỉ lệ thuận với hiệu số (pbm – ph ):

L1 ~ (pt – pbm ) (1.1)

L2 ~ (pbm – ph ) (1.2) Trong đó pt , pbm , ph lần lượt là phân áp suất của hơi nước trong tâm vật, trên

bề mặt và của môi trường xung quanh Nếu gọi L là động lực quá trình sấy thì động lực này cũng tỉ lệ thuận với độ chênh phân áp suất (pt – ph ):

L ~ (pt – ph ) (1.3)

Ẩm trong vật liệu luôn dịch chuyển theo chiều từ nơi có phân áp suất cao sang nơi có phân áp suất thấp Độ chênh này càng cao thì động lực sấy càng lớn Theo

SÊy b¶o qu¶n

HTS bøc x¹

HTS

t > 0°c

HTS th¨ng hoa

HTS ch©n kh«ng

M¸y hót Èm

vµ m¸y l¹nh

B¬m nhiÖt nÐn h¬i

đó, có thể tăng pt bằng cách đốt nóng vật liệu hoặc làm giảm phân áp suất hơi nước

ph của môi trường xung quanh để tạo động lực cho quá trình sấy

Hình 1: Động lực quá trình sấy

1.1.3 C y

Thông thường hiện nay dựa vào trạng thái TNS hay cách tạo ra động lực quá trình dịch chuyển nhiệt - ẩm, người ta phân ra thành hai phương pháp sấy, đó là phương pháp sấy lạnh và phương pháp sấy nóng

Hình 2: Phân loại các phương pháp sấy

Theo nguyên lý của động lực sấy, ta có chuyển động quá trình sấy sẽ gồm 2 phần: động lực từ trong lòng vật ra bề mặt và động lực từ bề mặt ra môi trường

Do đó gọi L là động lực sấy thì L tỉ lệ với Pv-Ph

Pv: phân áp suất trong vật

Ph: phân áp suất trong môi trường

Tác nhân sấy là những chất dùng để đưa lượng ẩm tách ra từ vật liệu sấy ra khỏi thiết bị sấy Trong quá trình sấy, lượng ẩm thoát ra ngoài vật liệu ngày càng tăng, đến một lúc nào đó sẽ đạt trạng thái cân bằng giữa vật liệu sấy và môi trường bên trong buồng sấy, lúc đó quá trình thoát ẩm của vật liệu sấy sẽ dừng lại Trong nhiều trường hợp, các nhân sấy đóng vai trò cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy để hóa hơi ẩm lỏng Các tác nhân sấy thường dùng là các chất khí như không khí, khói lò, hơi quá nhiệt Chất lỏng cũng có thể làm tác nhân sấy như các loại dầu, một số loại muối nóng chảy Hiện nay, với tiến bộ của khoa học kỹ thuật, năng lượng vi sóng kết hợp với môi trường chân không cũng là một tác nhân sấy mới đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi Trong nội dung này sẽ đề cập đến ba loại tác nhân sấy sử dụng phổ biến nhất là không khí, khói lò và năng lượng vi sóng kết hợp với môi trường chân không

1.1.4 Tác nhân s y không khí

Không khí là loại tác nhân sấy có sẵn trong tự nhiên, không gây độc hại và không gây bẩn sản phẩm sấy Không khí là hỗn hợp của nhiều chất khí khác nhau Không khí bao gồm một số chất khí chủ yếu là Oxygen (O2, 20.95%) và Nitrogen (N2, 70.08%) cộng với một lượng nhỏ các khí khác như Argon (Ar, 0.93%), Carbon dioxide (CO2, 0.03%), và Neon (Ne, 0.0018%), các tỷ lệ % này tính theo trọng lượng và có thể thay đổi ít nhiều tùy điều kiện môi trường, vị trí địa lý Không khí trong tự nhiên có chứa một lượng hơi nước nhất định Lượng hơi nước này được diễn tả bằng độ ẩm Tỷ số trọng lượng hơi nước chứa trong không khí sấy luôn nhỏ hơn 1/10

1.1.5 Tác nhân s y khói lò

Khói lò là sản phẩm khí của quá trình đốt cháy một chất đốt nào đó Khối lượng, thành phần và các thông số trạng thái của khói lò phụ thuộc vào thành phần của chất đốt và phương pháp đốt cháy Để tạo khói lò có thể đốt các loại nhiên liệu: than, củi, trấu, dầu, khí đốt… Khói lò có thể sử dụng trực tiếp làm tác nhân sấy, hoặc sử dụng gián tiếp để đốt nóng không khí

* Ưu điểm

- Có thể điều chỉnh nhiệt độ của môi chất sấy trong một khoảng rất rộng

- Cấu trúc hệ thống đơn giản, dễ chế tạo lắp đặt và bảo trì

- Đầu tư vốn ít, không phải dùng calorife

- Giảm tiêu hao điện năng, do giảm trở lực hệ thống

- Nâng cao được hiệu quả sử dụng của thiết bị

* Nhược điểm

- Gây bụi bẩn cho sản phẩm và thiết bị

- Có thể gây hỏa hoạn hoặc xảy ra các phản ứng hóa học ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm

Trong công nghiệp thực phẩm khói lò thường ít được sử dụng Thông thường người ta dùng để sấy các loại hạt nông sản Ngoài ra người ta có thể sử dụng khí tự nhiên làm chất đốt, vì khói tạo ra tương đối sạch, tuy nhiên thành phần khói vẫn có hàm lượng ẩm và khí oxit nitơ cao (độc hại với con người), nên cần phải tiếp tục làm sạch trước khi sử dụng để sấy thực phẩm

1.1.6 Nă ng vi sóng

Vi sóng là sóng điện từ có bước sóng nằm từ 0.3 GHz đến 300 GHz Sóng điện

từ làsóng ngang có thành phần điện tích dao động theo phương thẳng đứng và thành phần điện từ dao động theo phương nằm ngang Tần số của sóng điện từ bằng tần số của điện tích dao động và vận tốc của nó trong chân không bằng vận tốc ánh sáng trong chân không c  3.108 m/s

Sóng điện từ phản xạ trên các bề mặt kim loại và giao thoa được với nhau Những sóng cơ học truyền trong những môi trường đàn hồi, còn sóng điện từ thì nó

tự truyền đi mà không cần đến sự biến dạng của môi trường đàn hồi

Vi sóng cho thấy tiềm năng đầy hứa hẹn trong các quá trình sản suất thực phẩm,

nó được ứng dụng trong các quá trình chế biến nhiệt như gia nhiệt, nấu ăn, sấy khô, nướng, chần và khử trùng Trong quá trình làm nóng và làm khô bằng năng lượng

vi sóng, sự truyền nhiệt diễn ra nhanh chóng và diễn ra bên trong của vật liệu

1.1.7 Chân không

Quá trình sấy là một quá trình tổng hợp ba quá trình vật lý cơ bản: quá trình mao dẫn, quá trình bay hơi trên bề mặt và quá trình khuếch tán ẩm Khi độ ẩm của vật

liệu lớn hơn điểm bão hòa, quá trình mao dẫn là chủ yếu của việc di chuyển ẩm vật liệu Khi vật liệu khô dần, độ ẩm của vật liệu giảm xuống dưới điểm bão hòa, quá trình di chuyển ẩm trong vật liệu là quá trình khuếch tán đơn thuần

* Quá trình bay hơi nước bề mặt vật liệu ẩm: được xem như quá trình bay hơi nước trên bề mặt ẩm tự do, phụ thuộc vào các điều kiện vật lý giữa không khí và nước Tốc độ bay hơi của nước vào không khí phụ thuộc vào chênh lệch áp suất của hơi nước trên bề mặt vật ph và phân áp suất hơi nước của môi trường đặt vật po

* Quá trình mao dẫn: là quá trình di chuyển ẩm từ bên trong vật ẩm ra bề mặt Quá trình mao dẫn nhanh hay chậm phụ thuộc vào áp suất mao dẫn lớn hay nhỏ

* Quá trình khuếch tán ẩm: là quá trình ẩm được khuếch tán vào môi trường bên trong buồng sấy và được tác nhân sấy đưa ra ngoài

Độ chênh lệch áp suất hơi nước bên trong vật liệu và môi trường sấy được xem

là động lực thúc đẩy tốc độ dịch chuyển ẩm trong vật liệu sấy Nếu hạ thấp áp suất trong một thiết bị chân không xuống đến áp suất mà ở đó nước trong vật liệu bắt đầu sôi và bốc hơi sẽ tạo nên một dòng chênh lệch áp suất đáng kể dọc theo bề mặt vật liệu, làm hình thành nên một dòng ẩm chuyển động trong vật liệu theo hướng từ trong ra bề mặt ngoài Điều này có nghĩa là ở một áp suất nhất định nước sẽ có một điểm sôi nhất định, do vậy khi hút chân không sẽ làm cho áp suất trong vật liệu giảm đi và đến mức nhiệt độ bên trong vật liệu đạt đến nhiệt độ sôi của nước ở áp suất đó Nước trong vật sẽ hóa hơi và làm tăng áp suất trong vật liệu và tạo nên một chênh lệch áp suất hơi p = (pbh – ph) giữa áp suất bão hòa hơi nước trên bề mặt và phân áp suất hơi nước trong môi trường đặt vật sấy; đây chính là nguồn động lực chính tạo điều kiện thúc đẩy quá trình di chuyển ẩm từ bên trong vật liệu ra ngoài

bề mặt bay hơi Dưới điều kiện chân không đó, quá trình bay hơi diễn ra nhanh chóng và quá trình làm khô vật liệu sẽ rất nhanh, thời gian sấy giảm xuống đáng kể

1.1.8 Ẩm trong v t liệu

Trong vật liệu ẩm, phần chất lỏng (ẩm) chủ yếu là nước Tùy thuộc vào quá trình hình thành và môi trường xung quanh, nước có thể tồn tại ở ba dạng: rắn, lỏng, hơi Dưới áp suất khí quyển (760 mmHg) nước chuyển từ pha rắn sang pha lỏng và ngược lại ở 0oC với nhiệt ẩn nóng chảy là 332,3 kJ/kg, sôi 100oC với nhiệt ẩn hóa

hơi là 2256.3 kJ/kg; khối lượng riêng của nước ở 0 oC là 999 kg/m3, ở 40 oC là 1000 kg/m3 và ở 100 oC là 958 kg/m3

Quá trình sấy cung cấp năng lượng cho nước để thắng các lực liên kết giữa nước

và vật liệu sấy, nhằm dịch chuyển nước từ trong lòng vật sấy ra bề mặt và đi vào tác nhân sấy để thải vào môi trường Bản chất các liên kết giữa nước và vật liệu là hiện tượng hấp phụ

Trong quá trình hấp phụ hóa học các phân tử chất lỏng và vật rắn có sự thay đổi thành phần hoặc bị phá hủy với việc trao đổi điện tử vòng ngoài tức là sự liên kết giữa hai pha là do mối liên kết từng phân tử hay nguyên tử riêng biệt Hấp phụ hóa học rất bền vững và thường liên kết này không bị phá vỡ trong quá trình sấy Khác với hấp phụ hóa học, hấp phụ vật lý là hiện tượng liên kết giữa các phân tử của nước với các phân tử của vật hấp phụ, không có sự trao đổi ion mà chỉ do sức căng mặt ngoài là lực mao dẫn gây ra Liên kết càng yếu dần khi lớp chất lỏng càng xa

bề mặt vật rắn, ở sát bề mặt vật rắn tốc độ hấp phụ của lớp phân tử đầu tiên rất lớn Trên 1 cm2 bề mặt, vật có thể hấp thụ tới 1015 phân tử nước Ban đầu quá trình hấp phụ, lớp chất lỏng bị hấp phụ tập trung tại những vùng hấp phụ mạnh, sau đó lan ra các vùng khác

Các liên kết giữa ẩm với vật khô có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sấy, nó sẽ chi phối đến diễn biến của quá trình sấy Vật ẩm thường là tập hợp của ba pha: rắn, lỏng và khí (hơi) Các vật rắn đem đi sấy thường là các vật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn

Trong các mao dẫn có chứa ẩm lỏng cùng với hỗn hợp hơi khí có thể tích rất lớn (thể tích xốp) nhưng tỷ lệ khối lượng của nó so với phần rắn và phần ẩm lỏng nhỏ

có thể bỏ qua Do vậy trong kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần rắn khô

và phần lỏng

Theo cách phân loại phổ biến nhất, tất cả các dạng liên kết ẩm được chia thành

ba nhóm chính: liên kết hóa học, liên kết hóa lý, liên kết cơ lý

1.2 SẤY VI SÓNG

1.2.1 Kỹ

Nhằm ứng dụng công nghệ gia nhiệt vi sóng đối với các sản phẩm thực phẩm – dược phẩm cũng như trong các sản phẩm từ nhiều lĩnh vực khác nhau (ISM:

Industry – Science – Medical: Công nghiệp – Khoa học – Y tế) một cách hiệu quả

ưu điểm, nhược điểm, mô hình toán học, động hoạc quá trình gia nhiệt, đặc tính điều chỉnh căn bản cơ chế phát nhiệt cũng như yêu cầu thiết kế, vật liệu chế tạo của

vi sóng cần được làm rõ trong nhiều nghiên cứu

Vi sóng là một dạng sóng điện từ truyền trong không gian ba chiều dưới dạng các dao động hình sin của điện trường E và cảm ứng từ H theo các phương trực giao (vuông góc) với phương truyền chính của sóng

Hình 3 Tổng quan về phạm vi ứng dụng phát nhiệt của sóng điện từ (vùng

dải tần vi sóng và vùng dải tần RF)

Phương thức truyền sóng điện từ và dải tần số của vi sóng (MW: Microwave) cũng như vùng sóng Radio (RF) được dùng trong công nghệ phát nhiệt được mô tả

cụ thể như hình dưới đây:

Hình 4 Phương thức truyền lan của sóng điện từ trong không gian

Trong quá trình truyền lan trong không gian, năng lượng sóng điện từ luôn có xu hướng bị suy hao do tạo bức xạ điện từ, bức xạ nhiệt, tương tác cơ học với các thành phần trong môi trường truyền dẫn Trong môi trường chân không tuyệt đối, năng lượng sóng điện từ không bị suy hao trong quá trình truyền lan được biểu diễn

ở hình 1.3

Trong các môi trường khác (không phải môi trường chân không tuyệt đối), năng lượng sóng điện từ suy hao nên biên độ Điện trường E và biên độ từ trường H bị suy hao

Hình 5: Tổng quan phương thức truyền sóng điện từ và sự suy hao trong quá trình

truyền lan trong không gian

Sóng điện từ đi trong không gian theo phương truyền lan như hình vẽ trên theo các bước Các bước này gọi là bước sóng theo thuật ngữ của chuyên ngành vật lý

kỹ thuật Trong môi trường truyền lan chân không, sóng điện từ thường được qui đổi giữ tần số với bước sóng theo công thức:

Ký hiệu của các đại lượng trong công thức (1.1) được giải thích như sau:

λ (m): bước sóng

f (Hz): tần số

V (m/s): vận tốc truyền sóng điện từ trong môi trường truyền lan Trong môi trường chân không, vận tốc này được tính vận tốc ánh sáng: V = 3.108 (m/s) Đối với các môi trường khác, vận tốc này được tính theo công thức sau:

Ký hiệu của các đại lượng trong công thức (1.2) được giải thích như sau:

là hệ số điện môi thuần của môi trường truyền lan

C: vận tốc ánh sáng (C = 3.108 (m/s))

Hình 6: Tần số và bước sóng tương ứng của sóng điện từ tại các vùng

Giá trị của hệ số trong không khí rất gần với trị số tương ứng của môi trường chân không (bằng 1) Trong quá trình tính toán – thiết kế các thiết bị gia nhiệt sử dụng công nghệ vi sóng với không gian bao quanh vật liệu là không khí, trị số V trong công thức (1.1) được lấy đùng bằng vận tốc ánh sáng Khi ấy, tương quan về tần số và bước sóng giữa các vùng, hình 1.4 chỉ rõ chi tiết các khoảng tần số và bước sóng của sóng điện từ

Radio sóng ngắn Radio AM

Radio sóng dài

Hồng ngoại Ánh sáng nhìn thấy

Science, Medical) với mục đích phát nhiệt ISM được chia làm hai vùng nhỏ: vùng phát nhiệt cao tần với sóng Radio (RF: 0,3 MHz đến 0,3 GHz) và vùng phát nhiệt vi sóng (Microwave: 0,3 GHz đến 0,03 THz)

Vi sóng (microwave) có dải tần từ 0,3 GHz đến 0,03 THz được dùng phổ biến hơn dải tần số Radio có tần số từ 0,3 MHz đến 0,3 GHz) trong công nghệ bức xạ nhiệt Vi sóng được truyền trên môi trường truyền lan sẽ tương tác với các vật liệu điện môi phi kim đặc biệt các vật liệu chứa nước (vật liệu ẩm) trong không gian truyền dẫn Ứng dụng điển hình của vi sóng trong công nghệ nhiệt là các lò vi sóng dân dụng, ngoài ra các thiết bị ứng dụng vi sóng trong công nghiệp điển hình như các thiết bị phản ứng hóa học có hỗ trợ bởi vi sóng, thiết bị thanh trùng – tiệt trùng trong công nghệ sinh học, thiết bị rang vi sóng trong công nghệ thực phẩm, thiêt bị sấy sử dụng công nghệ vi sóng

Hình 7: Truyền lan của vi sóng trong lồng kim loại tạo ra bức xạ nhiệt

Với đặc thù của việc truyền năng lượng thông qua môi trường truyền dẫn có thể

là không khí hoặc chân không, nên tiêu hao năng lượng trong quá trình truyền – dẫn năng lượng của công nghệ vi sóng cao hơn hẳn việc truyền nhiệt theo các phương thức truyền nhiệt năng thông thường như bức xạ, đối lưu hay dẫn nhiệt Năng lượng điện từ của vi sóng được truyền đến vật liệu rồi mới phát bức xạ nhiệt trên cơ sở tương tác giữ sóng điện từ với vật liệu điện môi nên hầu như không có sự mất mát năng lượng do phát nhiệt ra môi trường do quá trình truyền – dẫn năng lượng Hiệu suất sử dụng năng lượng vì thế cũng cao hơn hẳn các phương thức và công nghệ phát nhiệt hiện đại khác như công nghệ bức xạ nhiệt theo phương pháp hồng ngoại

Chính vì vậy trong các ứng dụng phát nhiệt, công nghệ vi sóng đang trở thành một trong những công nghệ tiên tiến trong kỹ thuật nhiệt phục vụ công nghiệp

Dù trong bất cứ môi trường truyền – dẫn vi sóng là không khí hay chân không hoặc môi trường điện môi của vật liệu, việc tính toán suy hao điện trường và từ trường đều tuần theo hệ phương trình toán học đạo hàm riêng theo cả không gian và thời gian của Maxwell đã xây dựng

Mức độ suy hao phụ thuộc vào bước sóng của sóng điện từ λ (m), hệ số điện môi phức hợp của môi trường truyền lan, hệ số từ thẩm phức hợp của môi trường tryền lan Mức độ suy hao biến thiên theo hàm số mũ của tích giữa khoảng cách truyền lan và hệ số đặc trưng cho sự suy hao – hệ số suy hao (α) như trong công thức sau:

Ký hiệu của các đại lượng trong công thức (1.3) được giải thích như sau:

E (V/m): Cường độ điện trường hiệu dụng tại điểm có khoảng cách z (m) so với tâm nguồn phát

E0 (V/m): Cường độ điện trường hiệu dụng tại tâm nguồn phát

z (m): Khoảng cách từ điểm cần xác định giá trị hiệu dụng tới tâm nguồn phát

α (1/m): Hệ số suy hao của việc lan truyền của sóng điện từ có bước sóng λ (m) trong môi trường truyền lan

Sự suy hao từ trường H trong môi trường truyền la của sóng điện từ hoàn toàn tương tự suy hao của điện trường E như trong công thức (1.3):

Ký hiệu của các đại lượng trong công thức (1.4) được giải thích như sau:

H (A/m): Cường độ từ trường hiệu dụng tại điểm có khoảng cách z (m) so với tâm nguồn phát

H0 (A/m): Cường độ từ trường hiệu dụng tại tâm nguồn phát

z(m) và α (1/m) như trong công thức (1.1)

Mật độ phân bố công suất điện từ trường được tính bằng tích của điện trường E

và từ trường H, nên sự suy hao công suất điện từ trường tại các điểm cách tâm nguồn phát một khoảng z(m) được tính như sau:

(1.5)

Ký hiệu của các đại lượng trong công thức (1.5) được giải thích như sau:

(W/m2): Mật độ phân bố công suất điện từ trường tại điểm có khoảng cách z

so với tâm nguồn phát

(W/m2): Mật độ phân bố công suất điện từ trường phát ra tại tâm nguồn phát z(m) và α (1/m) như trong công thức (1.1)

Đại lượng mật độ phân bố công suất điện từ trường thường không được sử dụng nhiều mà nó chỉ mang ý nghĩa về mặt lý thuyết thuần chứ ít mang ý nghĩa về mặt tính toán lý thuyết Đại lượng công suất điện từ trường thường được sử dụng nhiều hơn trong tính toán lý thuyết cũng như tính toán kỹ thuật Nếu muốn tính toán giá trị của công suất điện từ trường trên các bề mặt của một vật thể cụ thể được đặc trưng bởi một giới nội trên miền (A), chúng ta có thể xác định bằng tích phân mặt như công thức sau:

từ nguồn phát Công thức (1.5) và công thức (1.6) chỉ được sử dụng trong các tính toán – thiết kế hệ thống gia nhiệt bằng vi sóng cho các vật liệu rỗng hoàn toàn và có

độ dầy nhỏ không đáng kể so với đường kính của khối vật liệu Dạng vật liệu được

mô tả như trên đây hầu như không xuất hiện trong các ứng dụng gia nhiệt thực tế Năng lượng điện từ trường của vi sóng lại có tính đâm xuyên cao, nên khi tiếp xúc với vật liệu gia nhiệt có một độ dầy thực tế (không có một thực thể nào có một

độ dầy gần như bằng 0 như trong lý thuyết tính toán để công suất bức xạ điện từ trường bề mặt), công suất điện từ trường truyền đến tiếp tục được phân bố theo độ đâm xuyên sâu vào bên trong của vật liệu Công thức tính toán mức độ phân bố

công suất điện từ theo mức độ xuyên sâu vào trong vật liệu cũng có dạng hàm mũ như sau:

Ký hiệu của các đại lượng trong công thức (1.7) được giải thích như sau:

(W/m3): Công suất điện từ trường khối tại các điểm trên mặt cắt có khoảng cách l so với bề mặt khối vật liệu (nơi tiếp giáp với môi trường truyền lan)

(W/m3): Công suất điện từ trường khối tại các điểm trên bề mặt khối vật liệu

l (m): khoảng cách từ mặt cắt cần tính toán tới bề mặt khối vật liệu (nơi tiếp giáp của khối vật liệu với môi trường truyền lan)

D là hệ số đặc trưng cho bản chất vật liệu (hệ số điện môi phức hợp) và bước sóng của nguồn phát kích vi sóng tác dụng lên khối vật liệu D được tính theo phương trình (1.8) dưới đây:

hệ số điện môi suy hao Các hệ số này phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ vật liệu

và tần số kích thích từ nguồn phát bức xạ vi sóng Khi tần số tăng dẫn đến các biến đổi: Bước sóng kích thích giảm, có xu hướng giảm còn lại có xu hướng tăng Theo như đánh giá chung ở phần trên, khi tần số kích thích từ nguồn phát bức xạ vi sóng thì D sẽ giảm rất mạnh

Trong các ứng dụng phát nhiệt hoặc nhiều ứng dụng khác nhau sử dụng công nghệ vi sóng đòi hỏi độ đâm xuyên cao (kích thước vật thể thao tác lớn) như thanh trùng vi sóng, gia nhiệt vi sóng …, các nhà sản xuất luôn sử dụng nguồn phát vi sóng với tần số với trị số thấp Các nhà cung cấp thiết bị vi sóng trong lĩnh vực phát nhiệt thường sản xuất các loại đầu phát và ống dẫn sóng tương thích để phát ra hai loại tần số phổ dụng trong công nghiệp cũng như dân dụng hiện nay là: 2450 MHz

và 915 MHz

Việc duy trì công suất phát sóng ở mức độ hợp lý sẽ giúp nhiệt độ của khối vật liệu ở một giá trị phù hợp, khiến cho quá trình thoát hơi ẩm từ phía trong lòng khối vật liệu diễn ra hiệu quả hơn nhờ khả năng đâm xuyên của vi sóng như đã trình bày Với giả định toàn bộ công suất điện từ của vi sóng được truyền đến chỉ phát nhiệt (không biến đổi sang dạng năng lượng khác như cơ học, hiệu ứng điện – từ khác ), công thức chính xác để xác định công suất bức xạ nhiệt sinh ra do nguồn phát vi sóng tạo ra trên toàn khối vật liệu (V) được tính theo công thức sau:

P∑ ∭ p(x,y,z)dxdydz

(V)

(1.10)

Ký hiệu của các đại lượng trong công thức (1.10) được giải thích như sau:

P∑ (W): công suất bức xạ nhiệt sinh ra trong một khối vật liệu (V)

(V) : là khối vật liệu được mô tả thông qua các phương trình toán học nhằm giới nội miền không gian được xác định

p(x,y,z) (W/m3): là biểu thức xác định công suất điện từ trường khối gây ra bởi vec tơ từ trường H(x,y,z) và vec tơ điện trường E(x,y,z) theo tọa độ A(x,y,z) của các điểm nằm trong miền không gian (V)

Hình 8: Điều kiện biên của hệ phương trình Maxwell cho vật thể bất kỳ trong không

gian Oxyz

Để tìm ra biểu thức xác định công suất điện từ trường khối p(x,y,z), việc giải bài toán của một hệ phương trình vi phân đạo hàm riêng phức hợp của trường điện từ (hệ phương trình Maxwell) là bắt buộc Bài toàn này có các điều kiện biên được xác định bởi nguồn phát, bởi không giới nội vi sóng (lồng Faraday bao ngoài cùng được cấu bằng khung kim loại hoặc có thể kết hợp với các mắt kim loại có kích thước rất nhỏ so với bước sóng – tối thiểu bằng 1/10 độ lớn của bước sóng)

Hệ phương trình Maxwell tổng quan được mô tả qua bốn phương trình đạo hàm riêng theo không gian và thời gian như sau Tùy theo hình dạng kích thước phổ biến của khối vật liệu gia nhiệt (V) như dạng hình cầu hoặc hình trụ hệ phương trình Maxwell có thể được viết lại và giải trong theo hệ tọa độ tương ứng để việc giải hệ thuận tiện hơn Khi ấy, việc tính tích phân ba lớp như trong công thức (1.8) cũng được chuyển sang hệ tọa độ tương ứng

Lời giải hệ phương trình Maxwell không có công thức tổng quát mà phục thuộc rất nhiều vào các điều kiện biên đặc biệt là hình dạng của khối vật liệu và kích thước của khoang kim loại giới nội phạm vi bức xạ vi sóng Ngoài ra, lời giải cũng

sẽ không chính xác nếu các hệ số điện môi phức hợp bị cố định vì trong quá trình bức xạ điện từ chuyển hóa thành nhiệt năng thì không chỉ nhiệt độ của khối vật liệu

A(x,y,z)

Nguồn phát

Miền biên

thay đổi mà thành phần trong khối cũng như khối lượng của khối vật liệu này cũng thay đổi do có một lượng nước hoặc các hợp chất khác sẽ bị bay hơi trong thoát ra khỏi khối vật liệu đang xét

1.2.3 M ặ ù à ý í , k , ạ , à à ề

k ể ệ ệ ứ d ô ệ

Ảnh hưởng nhiễu xạ sóng điện từ do nguồn phát vi sóng tạo ra tới các thiết bị điện tử được sử dụng trong các hệ thống đo lường – điều khiển của hệ thống gia nhiệt vi sóng, các thiết bị điện tử lân cận và con người trong môi trường vận hành

Vi sóng được dùng trong công nghiệp – khoa học – y tế có dải bước sóng từ 0.3 GHz (300 MHz) đến 0.3 THz (300 GHz) Các ứng dụng phát nhiệt thường sử dụngcác bước sóng 2.45 GHz (Châu Á, Hoa Kỳ …) hoặc 915 MHz (Châu Âu, Nga

…) hoặc 896 MHz (Anh Quốc)

Những tín hiệu có biên độ đủ lớn ở tần số nêu trên đều có thể gây ra nhiễu loạn đối với các thiết bị điện tử – đo lường – điều khiển vì thế các thiết bị vi sóng thường được bọc bằng kim loại để tạo thành dạng lồng Faraday Trong quá trình vận hành thiết bị gia nhiệt sử dụng vi sóng, hiệu ứng dò vi sóng cần hết sức được quan tâm để loại bỏ Sóng dò không chỉ ảnh hưởng đến hoạt động của chính các thiết bị điện tử – đo lường – điều khiển của chính thiết bị rang vi sóng đó mà còn ảnh hưởng đến các thiết bị khác cũng như sự an toàn cho người vận hành Sự ảnh hưởng đến sức khỏe và tính mạng con người là yếu tố quan trọng nhất, cần được chú ý hết sức kỹ lưỡng trong thiết kế cũng như trong vận hành Vấn đề này sẽ được trình bầy cụ thể hơn ở chương II khi mô tả các thiết bị thí nghiệm sấy vi sóng trong nghiên cứu Các vật liệu rang luôn được cấu tạo từ nhiều thành phần vật chất khác nhau Các thành phần khác nhau sẽ làm cho hệ số điện môi của vật liệu thay đổi khi tỷ trọng các thành phần thay đổi Công thức hệ số điện môi của toàn bộ khối vật liệu có nhiều thành phần khác nhau có thể tìm thấy trong các công thức tính ở phần phụ lục Trong thực tế vận hành, khi thủy phần (lượng nước trong vật liệu) giảm thì khả năng hấp thụ vi sóng cũng sẽ thay đổi

Về căn bản, vật liệu sẽ tiếp nhận vi sóng kém hơn khi thủy phần của vật liệu

giảm Điều này có thể dễ dàng nhận thấy do tính chọn lọc phát nhiệt của bức xạ

điện từ của vi sóng đối với các loại vật liệu khác nhau (nước, kim loại và phi kim ở phần dưới đây)

Tính chọn chọn lọc phát nhiệt của bức xạ điện từ của vi sóng: Để minh họa rõ hơn về đặc điểm này, hình vẽ dưới đây trình bầy phản ứng của 3 loại vật liệu nhau (nước, kim loại và phi kim) khi được đặt trong môi trường hoặc bị kích thích trực tiếp bởi điện từ trường do hệ thống nguồn phát vi sóng tạo ra

Hình 9: Phản ứng và hệ số điện môi suy hao của nước, kim loại, phi kim

Hệ số điện môi đặc biệt cao được lý giải bởi đặc trưng cấu tạo hóa học của phân

tử nước như Các phân tử nước có cấu tạo hóa hoạc đặc biệt khiến nó dễ dàng bị quay tròn khi bị dao động điện từ của vi sóng kích thích từ bên ngoài được bijểu diễn như hình dưới đây Chính sự thay đổi này gây ra hiện tượng ma sát và phát nhiệt

Hình 10: Sự phát nhiệt mạnh mẽ hơn ở các phân tử nước gây ra bởi sự thay đổi

hướng liên tục theo thời gian do sự biến thiên của sóng điện từ

Như đã biết sóng điện từ có tần số 1 hertz, sẽ tạo ra một điện từ trường (nơi mà

nó đi) thay đổi chiều 1 lần trong 1 giây) Các sóng cực ngắn 2450 MHz đổi chiều 2,45 tỉ lần mỗi giây Các phân tử nước phân cực: hai nguyên tử Hydrogen tạo cực dương trong khi các điện tử nằm phía bên kia của oxygen nghĩa là oxygen mang điện âm

Phân tử nước được cấu tạo bởi một nguyên tử oxygen (O) và hai nguyên tử hydrogen (H) Chúng không mang điện Tuy nhiên những electron có khuynh hướng kéo về nguyên tử oxygen (vì oxygen có tầng ngoài cùng chứa 6 điện tử nên

có khuynh hướng thu thêm 2 điện tử để bão hoà, bền hơn do đó có âm tính) , kết quả nguyên tử hydrogen bị mất bớt tính âm điện nên có khuynh hướng mang điện tích dương Nghĩa là trong phân tử nước có hai đầu dương của hydrogen và một đầu

âm của oxygen Sự mất thăng bằng tạo một điện trường nhỏ trong mỗi phân tử nước Ðiều này gây cho phân tử nước trở nên rất nhạy cảm đối với tia điện từ, đặc biệt là tia sóng vi-ba Tia vi-ba trong lò có tần số lý tưởng là 2,45 GHz để cho năng lượng của chúng có thể hấp thu bởi phân tử nước Trong một điện từ trường mạnh, phân tử nước hướng theo chiều các đường sức Lò vi sóng có những tấm bảng cũng mang điện tích sẽ hút hay đẩy các phân tử nước, đặc biệt là những tấm bảng (plate) này luân phiên nhau thay đổi thường xuyên điện tích (điện dương đổi thành điện âm

và ngược lại) Các tấm bảng sẽ hút hay đẩy những phân tử nước đưa đến kết quả là các phân tử nước hoạt động rất nhanh nên va chạm nhau Nếu trường này thay đổi 2,45 tỉ lần trong 1 giây thì hãy tưởng tượng sự xô đẩy va chạm nhau khủng khiếp như thế nào Sự cọ xát giữa các phân tử với nhau tạo ra nhiệt (giống như khi bạn xoa hai tay với nhau, sẽ thấy nóng) Không khí, chén dĩa bằng thủy tinh hay sành sứ đều không bị ảnh hưởng của vi sóng nhưng kim loại thì tác động trên sóng này Gia nhiệt từ "bên trong" sẽ khiến nhiệt độ tăng lên nhanh chóng Nước trong khối vật liệu được đốt nóng nhanh chóng và truyền năng lượng cho các thành phần khác của khối vật liệu do đó mà toàn bộ khối vật liệu được đốt nóng Hiện tượng này minh chứng khả năng hình thành sự phát nhiệt nhanh và mạnh đối với các hợp chất chưa nhiều nước Điều này cũng giải thích được vì sao tốc độ rang vi sóng thường cao

hơn nhiều lần so với các phương pháp rang khác Sự không đồng đều của phân bố công suất điện từ của vi sóng trong khoang chứa vật liệu: Đây là một nhược điểm

cố hữu cần được khắc phục bằng các giải pháp lồng ghép đối với tất cả các loại thiết bị rang vi sóng nói riêng và gia nhiệt bằng vi sóng nói chung

Hình 11: Sự phân bố không đồng đều công suất phát ra trên khối vật liệu

Giải pháp đồng đều hóa phân bố công suất điện từ của vi sóng trong khoang rang

và trên vật liệu: Giải pháp khắc phục nhược điểm này thường được cụ thể hóa bằng

- Giải pháp sử dụng cánh chém sóng kết hợp với khay quay nhằm tạo ra mức

độ đồng đều cao hơn hẳn với hai chiều quay ngược nhau

Giải pháp sử dụng cánh chém sóng được thực hiện trên một số thiết bị vi sóng hiện đại Cánh chém sóng liên tục định các hướng phát sóng chính khác nhau khiến cho trường điện từ được phân bố đồng đều hơn so với chế độ hướng sóng chính bị

cố định Nghiên cứu này sử dụng phép so sánh kết quả về sự phân bố nhiệt độ trung bình tại một số khu vực trong khoang vi sóng

Phân bố không đồng đều

Ống dẫn sóng Ống dẫn

sóng

Hình 12: So sánh sự phân bố nhiệt độ giữa các trường hợp có và không sử dụng

cánh chém sóng

Hai thí nghiệm được tiến hành độc lập với các sơ kiện: Đặt 12 lọ thủy tinh có dung tích 14 mL tại 12 vị trí trong khoang vi sóng 10 mL 3% HNO3 được đưa vào mỗi lọ Khoang chứa vi sóng phát ra có hình trụ với bán kính 250 mm và chiều cao

170 mm Hai thí nghiệm được tiến hành độc lập với điểm khác biệt duy nhất là việc

có sử dụng và không sử dụng cánh chém sóng Vi sóng được phát ra với mức công suất 400 W trong 60 s Trường hợp không sử dụng cánh chém sóng, nhiệt độ đo được tại các điểm định trước từ 44 °C đến 74 °C, có giá trị trung bình 51 °C Trường hợp có sử dụng cánh chém sóng, nhiệt độ đo được tại các điểm định trước

từ 49 °C đến 66 °C, có giá trị trung bình 55 °C Kết quả nghiên cứu này được biểu diễn như ở hình trên

Cả ba giải pháp trên đều đưa ra một phương hướng thực hiện chung: tạo ra sự chuyển động tương đối giữa phân bố trường điện từ trong không gian sấy với vật liệu cần sấy Giải pháp thứ nhất vẫn được sử dụng rộng rãi nhất bởi sự đơn giản và mức chi phí đầu tư ban đầu thấp

Sử dụng cánh chém sóng

Hình 13: Cấu tạo của hệ thống sấy vi sóng

Đầu phát vi sóng hay còn được gọi là bóng cao tần đưuọc cung cấp một nguồn điện một chiều DC cao áp tới 5kV để có thể phát ra sóng điện từ tần số 2450Mhz, dòng điện cao áp này được biến thế cao áp cùng với tụ cao áp và diode cao áp tạo

ra

Các đầu phát vi sóng bức xạ điện từ được sử dụng như: Magnetrons, Klystrons, Gyrotrons, ống phát sóng Trong các loại nguồn phát vi sóng trên thì đèn Magnetrons hay được dùng nhất

Hình 14: Cấu tạo của đầu phát vi sóng magnetron

Cấu tạo của đầu phát vi sóng bao gồm:

- Đầu phát sóng (antenna) là chi tiết trực tiếp phát ra sóng điện từ để được

dẫn vào ngăn nấu lò vi sóng thông qua ống dẫn sóng

- Mặt lắp ráp là một mặt bích có tác dụng liên kết bóng cao tần vào khung lò

vi sóng khi lắp ráp

- Bộ ly hợp từ là phần bao ngoài của nguồn phát sóng

- Nam châm vĩnh cửu được đặt ở hai đầu của lõi magnetron có tác dụng tạo

ra đường sức từ chạy dọc theo trục của magnetron

- Đui nguồn phát sóng là phần vật liệu cách điện cố định dây nguồn vào của

bóng cao tần

- Hộp lọc từ có tác dụng ngăn sóng điện từ rò rỉ qua đui nguồn phát ra ngoài

- Miếng đệm là phần tiếp xúc với phần khớp của ống dẫn sóng

- Nguồn phát electron là cực âm có tác dụng phát ra dòng electron chạy từ

theo hướng xoắn ốc, và điều này tạo ra một đám mây xoáy của các điện tử Khi các electron đi qua các khoang cộng hưởng, các khoang thiết lập dao động trong đám mây điện tử, và tần số của dao động phụ thuộc vào kích thước của các khoang.Năng lượng điện từ được kết hợp từ một trong các khoang cộng hưởng để các đường dây truyền tải thông qua một đường cáp đồng trục hoặc ống dẫn sóng

1.2.4.2 Kiểm soát công su t của nguồn phát vi sóng

Để kiểm soát nguồn năng lượng do đầu phát vi sóng phát ra, có ba cách để kiểm soát nguồn năng lượng này là: điều khiển thời gian hoạt động của đầu phát vi sóng, kiểm soát biến tần điều khiển nguồn năng lượng, hoặc điều chỉnh dòng điện âm cực

a Điều khiển bằng hộp số và timer

Nguyên lý điều khiển: sử dụng hộp số và bộ timer điều khiển thời gian cấp điện

áp cấp cho cuộn sơ cấp của máy biến áp cao áp Muốn có công suất lớn thì thời gian ngắt của dòng điện vào cuộn sơ cấp ít Và ngược lại, muốn công suất nhỏ thì thời gian ngắt lâu

Ở phương pháp này có ưu điểm giá thành rẻ, bộ điều khiển đơn giản, chỉ sử dụng hộp số để điều khiển thời gian đóng ngắt Nhược điểm là dễ sinh ra hồ quang và hỏng tiếp điểm cơ khí

b Điều khiển bằng TRIAC

Ở phương pháp này sử dụng một con triac để điều khiển dòng điện điện áp cấp cho cuộn thứ cấp của máy biến áp Bộ điều khiển “controler panel” điều khiển và chân g của triac theo nguyên lý là một dạng xung vuông, thời gian điều khiển càng dài thì điện áp ra cuộn sơ cấp càng cao

Ở phương pháp này sử dụng một con triac để điều khiển dòng điện điện áp cấp cho cuộn thứ cấp của máy biến áp Bộ điều khiển “controler panel” điều khiển và chân g của triac theo nguyên lý là một dạng xung vuông, thời gian điều khiển càng dài thì điện áp ra cuộn sơ cấp càng cao

Hình 15: Đặc tính điều khiển điện áp vi sóng bằng TRIAC

Ưu điểm của phương pháp này là giá thành rẻ, bộ điều khiển đơn giản nhưng chất lượng điện áp ra để điều khiển biến áp không phải dạng hình sin, dễ gây ra phát nhiệt cho biến áp

c Điều khiển bằng IGBT

Hình 16: Bộ điều khiển đầu phát vi sóng bẳng IGBT

Bộ điều khiển bằng IGBT là sử dụng biến áp xoay chiều sang bộ cầu diot để thành điện áp một chiều Sử dụng bộ nghịch lưu để điều khiển điện áp cấp cho cuộn thứ cấp Thì ở phương pháp này, điện áp điều khiển cho cuộn thứ cấp có dạng sóng

ra tốt hơn so với phương pháp sử dụng triac, vẫn giữ được dạng sóng hình sin, chỉ thay đổi biên độ của điện áp

Ưu điểm của phương pháp điều khiển này có chất lượng tốt, điện áp ra hình sin, chỉ thay đổi biên độ của điện áp Nhược điểm là giá thành kinh tế cao, bộ điều khiển phức tạp nên chỉ ứng dụng trong các máy có công suất nhỏ và vừa

1.2.4.3 Ống dẫ ện từ

Bức xạ điện từ được truyền dẫn trong khoang bức xạ điện từ chứa vật liệu cần gia nhiệt thông qua ống dẫn sóng và bộ điều hợp tải Ống dẫn sóng phổ biến có cấu tạo dạng hình hộp chữ nhật với hai đầu hở, một đầu kết nối với đầu phát vi sóng một đầu kết nối với khoang bức xạ vi sóng để tránh rò rỉ vi sóng Trong nhiều trường hợp khác nhau, cấu tạo của ống dẫn sóng có thể khác đi dể phù hợp nhưng bản chất không thay đổi

Hình 17: Cấu trúc ống dẫn sóng

Một trong những thông số quan trọng của ống dẫn sóng là các kích thước của hình chữ nhật (chiều rộng và chiều cao) tại các mặt cắt ngang của ống dãn sóng từ đầu phát vi sóng tới khoang bức xạ sóng Thông số này tỷ lệ thuận với bước sóng của nguồn phát và tỷ lệ nghịch với tần số kích thích của nguồn phát vì thế nó được đưa ngay vào mã thiết kế Việc chọn phù hợp thông số này sẽ tạo ra phẩm chất tốt cho chum bức xạ điện từ vi sóng với dải tần hẹp, tập trung vào giá trị tần số cộng hưởng giúp nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng

1.2.5 Hệ ă SMER

Tiêu chí suất tiêu hao năng lượng sấy đối với một đơn vị khối lượng ẩm được tách ra khỏi vật liệu sấy (SMER: Specific Moisture Extractation Ratio) được đưa ra

để thay thế cho tiêu chí về thời gian sấy Tiêu chí về thời gian sấy ngắn hơn được

bỏ qua do các chế độ được xét có công suất vi sóng riêng phần khác nhau, tốc độ tác nhân sấy khác nhau nên việc so sánh về tương quan năng lượng tiêu hao dựa đơn thuần vào thời gian sấy là không hợp lý

Chỉ số SMER được xác định dựa trên tỉ số giữa tổng năng lượng tiêu thụ mà trong trường này là điện năng (A: kWh) dựa trên công suất hữu công (P: kW) với

tổng khối lượng nước thoát ra khỏi vật liệu sấy (kg) trong toàn bộ quá trình sấy được khảo sát

1.2.6 Hệ ả ẩ

Chúng ta đều biết gần như tất cả vật liệu đều có trạng thái nóng nở ra, lạnh co lại, trong công nghệ sấy các vật liệu sau quá trình sấy thoát ẩm ra khỏi vật liệu sấy và chính điều này tạo ra sự sai khác giữa kích thước vật liệu sấy ban đầu với vật liệu sau quá trình sấy Co chỉ xảy ra khi mất nước hấp phụ Khi đó chiều dày vỏ tế bào giảm đi, các mixen xích lại gần nhau làm cho kích thước của vật liệu sấy giảm.Do cấu tạo không đồng nhất nên độ co theo các phương cũng khác nhau: co dọc thớ Trong quá trình sấy sự co thể tích (sau khi đông đặc) này của vật liệu được gọi là hệ

có loại màu xám trắng, xám, xám đen… Kích thước đường kính cây nấm lớn, nhỏ tùy thuộc vào từng loài Nấm thường mọc trên rơm rạ mục nên có tên thông dụng là nấm rơm Nấm rơm là loại nấm ưa nhiệt, nên nấm rơm được trồng chủ yếu vào mùa nắng, nóng Nấm có nguồn gốc từ các vùng mưa nhiều, có nhiệt độ cao ở khu vực nhiệt đới và cận nhiệt đới Nhân dân nhiều nước châu Á biết ăn nấm rơm từ cách đây rất lâu nhưng việc chủ động nuôi trồng nấm chỉ bắt đầu ở Trung Quốc cách đây trên 300 năm Việc nuôi trồng nấm rơm về sau phát triển ở nhiều nước khác như Việt Nam, Thái Lan, Nhật Bản, Hàn Quốc, Hoa Kỳ… Hiện nay có khoảng 100 loài nấm rơm đã được phát hiện, trong đó có 20 loài đã được ghi nhận và mô tả

Các loại nấm rơm có chung đặc điểm là tai nấm phát triển qua hai giai đoạn chính:dạng búp và dạng dù

- Dạng búp: Khi tai nấm còn non, chúng được bao trong một vỏ bọc tạo thành

búp và có dạng hình cầu hay hình trứng

- Dạng dù: Khi tai nấm trưởng thành thì vỏ bọc bị xé rách, mũ nấm đưa lên

cao nhờ thân nấm tròn và thon Mũ nấm xòe rộng dần thành dạng tán dù, phần vỏ bọc ban đầu được giữ lại và bao lấy cuống nấm nên gọi là bao gốc (volva)

Nguyên liệu để trồng nấm rơm cũng rất đa dạng và dồi dào như: rơm rạ, bông phế thải, bã mía, mùn cưa… Tất cả các nguyên liệu không được thối mốc Nấm rơm có thể được trồng ở nhiều nơi khác nhau, từ nơi có nhiều ánh sáng mặt trời (trồng ngoài trời), đến nơi không chịu ảnh hưởng trực tiếp của ánh sáng mặt trời (trồng trong nhà) Phổ biến nhất hiện nay là trồng nấm rơm ngoài trời, tận dụng diện tích đất trống để đắp mô trồng nấm

Hình 18: Chu trình sống của nấm rơm

Nấm rơm có cấu tạo gồm các phần: mũ nấm, phiến nấm, cuống nấm, bao nấm, sợi nấm Cấu tạo nấm rơm được mô tả như sau:

Hình 19: Cấu tạo của nấm rơm

Chu kỳ sinh trưởng và phát triển của nấm rơm rất nhanh chóng (10-12 ngày) Những ngày đầu nấm nhỏ như hạt tấm có màu trắng (giai đoạn đinh ghim), 2-3 ngày sau lớn rất nhanh bằng hạt ngô, quả táo, quả trứng (giai đoạn hình trứng), lúc trưởng thành (giai đoạn phát tán bào tử) trông giống như một chiếc ô dù, có cấu tạo thành các phần hoàn chỉnh Bã sau khi trồng nấm chế biến thành phân sinh học cao cấp Ngoài ra, bã nấm còn dùng để nuôi trùn đất, lấy trùn nuôi gia cầm, gia súc và tôm, cá Ở các quốc gia vùng nhiệt đới rất thích hợp về nhiệt độ để nấm rơm sinh trưởng và phát triển Nhiệt độ thích hợp để nấm phát triển từ 30-32oC; độ ẩm nguyên liệu (cơ chất) 65-70%; độ ẩm không khí 80%; pH = 7, thoáng khí Nấm rơm

sử dụng dinh dưỡng cellulose (có nhiều trong rơm rạ) trực tiếp từ nguyên liệu trồng Nấm rơm là loại dễ trồng, mau thu hoạch, cho kinh tế cao Nấm rơm sử dụng dinh dưỡng cellulose trực tiếp từ nguyên liệu trồng chứa nhiều vitamin A, B1, B2, PP,

D, E, riêng vitamin C chiếm đến 160 mg/100gr Ngoài ra, nấm rơm còn chứa 7 loại a-xít amin mà cơ thể không tổng hợp được Nhờ đó, nấm rơm là món ăn trị nhiều bệnh

1.3.2 à ầ d d ỡ à ị ủ

Nấm rơm không chỉ là thức ăn ngon mà còn là nguồn dinh dưỡng cao Tính theo trọng lượng của nấm, nấm rơm có chứa đủ 18 loại axit amin khác nhau Bảng thể hiện thành phần dinh dưỡng có trong nấm rơm này Là loại nấm giàu dinh dưỡng Nấm rơm chứa nhiều vitamin A, B1, B2, PP, D, E, C và chứa 7 loại axit amin, nấm rơm là món ăn trị nhiều bệnh là loại quen thuộc, nhất là các làng quê vì thường được sử dụng làm thực phẩm Trong 100g nấm rơm tươi chứa 90% nước, 3,6% đạm, 0,3% chất béo, 3,2% chất đường, 1,1% chất xơ (cellulose), 0,8% tro, 28mg%

Ca, 80mg% P, 1,2% Fe, các vitamine A, B1, B2, C, D, PP… Cứ 100g nấm rơm tươi cho cơ thể 31 calorie

Nấm rơm là loại phổ biến, nhất là các làng quê vì có nhiều rơm, nấm thường được sử dụng làm thực phẩm Là loại nấm giàu dinh dưỡng, cứ 100g nấm rơm khô chứa đạm tới 21 – 37g đạm (đặc biệt thành phần đạm chứa hàm lượng cao lại đầy

đủ các acid amin cần thiết mà cơ thể không tự tổng hợp được, còn hơn cả thịt bò và đậu tương), chất béo 2,1 – 4,6g, bột đường chiếm 9,9g, chất xơ 21g, các yếu tố vi lượng là Ca, Fe, P và các vitamin A, B1, B2, C, D, PP… giá trị dinh dưỡng của nấm rơm và nấm ăn Nấm Rơm không chỉ là loại thức ăn ngon mà còn có giá trị dinh dưỡng cao Tính theo trọng lượng tươi, nấm Rơm chứa 2,66-5,05% protein, trong protein có đầy đủ 18 loại axit amin theo tỷ lệ như sau:

Trong 18 axit amin này thì 8 loại đầu là các axit amin không thay thế (nghĩa là

cơ thể người và động vật không thể tự tổng hợp lấy được) Các axit amin không thay thế chiếm đến 38.2% trong tổng lượng axit amin ở nấm Rơm Tỷ lệ này cao hơn thịt lợn, thịt bò, sữa bò, trứng gà…

Lượng chất béo (lipid) trong nấm Rơm là vào khoảng 3% (tính theo lượng khô), loại chất béo bão hòa chiếm 41.2% còn chất béo chưa bão hòa chiếm 58.8% Loại chất béo chưa bão hòa chủ yếu là tiền vitamin D2 (ergocalciferol) và γ – ergosterol Nấm Rơm có chứa phong phú các loại vitamin Lượng vitamin có trong 100g nấm Rơm tươi như sau: vitamin B1 – 0.35mg; vitamin B2 – 1.63-2.98 mg; axit nicotinic (B5) – 64.88mg; vitamin C – 158.44-206.27mg…

Lượng chất khoáng chiếm 3.8% trong nấm Rơm khô, trong đó kali chiếm đến khoảng 45% Tủy lệ từng nguyên tố trong tổng số muối khoáng ở nấm Rơm (%) thay đổi tùy vào từng giai đoạn phát triển của quả thể nấm

Nhờ giàu thành phần dinh dưỡng như vậy, nên nó là nguồn sử dụng để chế biến thành thực phẩm chức năng, làm món ăn thuốc trong việc hỗ trợ trị liệu nhiều bệnh tật như các chứng rối loạn chuyển hóa, nội tiết như béo phì, rối loạn lipid máu, xơ vữa động mạch, tăng huyết áp và đái tháo đường, thiếu máu

ăn phát triển mạnh mẽ ở nhiều nước trên thế giới Bên cạnh những chủng loại nấm quen thuộc đã được đưa vào sản xuất để phục vụ người tiêu dùng như một nguồn thực phẩm, người ta còn nghiên cứu khá sâu về khả năng phòng, chống bệnh của nhiều loại nấm đã được nghiên cứu Đặc biệt là tác dụng phòng, chống viruts, khối

u, ung thư và các bệnh khác như tim mạch, tiểu đường, huyết áp Vì lẽ đó, nhu cầu tiêu dùng nấm đang ngày càng tăng Các nước trên thế giới tiêu thụ hơn 20 triệu tấn nấm một năm, tốc độ tăng 3,5%/năm Thị trường tiêu thụ cao nhất là Mỹ, Nhật, Đài Loan và các nước châu Âu

Trong khi đó, thị trường nhập khẩu nấm trên thế giới đang khá rộng mở Năm

2010, các nước trên thế giới nhập khẩu 1,26 triệu tấn nấm, trị giá 3,3 tỷ USD Trong giai đoạn 2006-2010, tốc độ tăng trưởng của thị trường xuất nhập khẩu nấm thế giới

là 10%/năm Đức hiện đang là thị trường nhập khẩu nấm lớn nhất thế giới với giá trị nhập khẩu 300 triệu USD/năm, tiếp đó là Mỹ 200 triệu USD/năm, Pháp 140 triệu USD/năm, Nhật Bản 100 triệu USD/năm Mức tiêu thụ nấm bình quân theo đầu người ở các nước châu Âu, Mỹ, Nhật Bản hiện từ 4-6 kg/năm, và dự kiến sẽ tăng 3,5%/năm

Nước ta có tiềm năng lớn về sản xuất nấm ăn và nấm dược liệu do có nguồn nguyên liệu trồng nấm phong phú, nguồn lao động nông thôn dồi dào, điều kiện thời tiết thuận lợi cho phát triển nhiều chủng loại nấm và có thể trông nấm quanh năm Chính phủ đã đưa nấm vào Danh mục sản phẩm Quốc gia

Nhu cầu tiêu dùng nấm của các nước trên thế giới cần hơn 20 triệu tấn nấm một năm, tốc độ tăng 3,5% Thị trường tiêu thụ cao nhất là Mỹ, Nhật, Đài Loan và các nước Châu Âu

+ Theo Cục Trồng trọt, mỗi năm ngành nông nghiệp thải ra khoảng 40 triệu tấn phế thải như rơm rạ, cùi bắp, mùn cưa Chỉ cần 15% phế thải dùng để trồng nấm thì Việt Nam có thể thu về khoảng 1 tỷ đô la Mỹ một năm Mỗi năm chúng ta đã sản xuất được hơn 250.000 tấn nấm các loại nhưng lại không đủ nấm để xuất khẩu

dù thị trường có nhu cầu tiêu thụ lớn

Theo tài liệu nghiên cứu, nguồn nấm ngoài tự nhiên ở nước ta rất phong phú, ước tính số loài nấm có trên lãnhthổ Việt Nam có thể lên tới 72.000 loài, gấp 6 lần

số loài thực vật bậc cao

Hiện nay, nước ta hội đủ các điều kiện cần thiết để phát triển ngành công nghiệp sản xuất giống, nuôi trồng và chế biến nấm.Vì vậy cần có những giải pháp để đẩy mạnh phát huy tiềm năng nghề trồng nấm ở nước ta

Những năm gần đây, Bộ Khoa học và Công nghệ, Bộ NN-PTNT đã giao cho Trung tâm Công nghệ sinh học thực vật thuộc Viện Di truyền nông nghiệp Việt Nam nghiên cứu phát triển sản xuất các loại nấm ăn và nấm dược liệu Theo đánh giá của Trung tâm, Việt Nam là quốc gia có nhiều điều kiện để phát triển ngành sản xuất nấm