SẤY
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Quá trình sấy là quá trình dùng nhiệt năng để làm bay hơi một phần lượng nước có trong vật liệu
Dựa vào nguồn nhiệt, người ta phân ra hai phương pháp sấy là:
+ Sấy tự nhiên được tiến hành ở ngoài trời dùng năng lượng mặt trời làm bay hơi nước trong vật liệu
+ Sấy nhân tạo tức là phải dùng các thiết bị sấy và cung cấp nhiệt cho vật liệu ẩm, có thể bằng dẫn nhiệt, đối lưu, bức xạ
1.1.1 Khái niệm về không khí ẩm
Không khí xung quanh chúng ta là hỗn hợp của nhiều chất khí, chủ yếu là N2 và
O2 ngoài ra còn một lượng nhỏ các khí trơ, CO2, hơi nước
Không khí khô là không khí không chứa hơi nước, tuy nhiên, trên thực tế, không có không khí hoàn toàn khô, vì nó luôn chứa một lượng hơi nước nhất định Khi tính toán, không khí khô thường được coi là khí lý tưởng với phân tử lượng M.
Thành phần của các chất khí trong không khí khô được phân theo tỷ lệ phần trăm sau đây:
Bảng 14.1 Thành phần của các chất khí trong không khí khô
Thành phần Tỷ lệ phần trăm, %
Theo khối lượng Theo thể tích
Chất khí khác (Neon, Heli, Kripton, Cenon,
Không khí ẩm là loại không khí chứa hơi nước, và trong tự nhiên, nó chỉ tồn tại dưới dạng này Trạng thái của không khí ẩm được phân chia thành nhiều dạng khác nhau.
Không khí ẩm chưa bão hòa là trạng thái mà hơi nước có khả năng tiếp tục bay hơi vào không khí, cho thấy rằng không khí vẫn có thể hấp thụ thêm hơi nước.
Không khí ẩm bão hòa là trạng thái khi hơi nước trong không khí đạt mức tối đa, khiến không khí không thể chứa thêm hơi nước Khi tiếp tục cung cấp hơi nước vào không khí, lượng hơi nước mới sẽ dẫn đến sự ngưng tụ tương ứng.
Không khí ẩm quá bão hòa là trạng thái không khí chứa lượng hơi nước vượt mức bão hòa, dẫn đến sự không ổn định Trạng thái này có xu hướng chuyển đổi về trạng thái bão hòa khi lượng hơi nước dư thừa dần tách ra khỏi không khí Một ví dụ điển hình cho hiện tượng này là sương mù, khi không khí đạt mức độ ẩm quá bão hòa.
Tính chất vật lý của không khí và ảnh hưởng của nó đến cảm giác con người chủ yếu phụ thuộc vào lượng hơi nước có trong không khí.
Khi nghiên cứu không khí ẩm, người ta xem nó như là hỗn hợp khí lý tưởng của hai thành phần: không khí khô và hơi nước
1.1.2 Các phương trình cơ bản của không khí ẩm
- Phương trình cân bằng khối lượng của hỗn hợp:
G, G k , G h - Lần lượt là khối lượng không khí ẩm, không khí khô và hơi nước trong không khí, kg
- Phương trình định luật Dalton của hỗn hợp:
P, P k , P h - Áp suất không khí, áp suất riêng phần của không khí khô và của hơi nước trong không khí, N/m 2
- Phương trình tính toán cho phần không khí khô
Gk - Khối lượng không khí khô trong V (m 3 ) hỗn hợp không khí; kg
Rk - Hằng số chất khí của không khí khô; R k = 287 J/kg.K T
T - Nhiệt độ hỗn hợp không khí, T = t + 273,15; K
- Phương trình tính toán cho phần hơi ẩm trong không khí
Gh - Khối lượng hơi ẩm trong V (m 3 ) của hỗn hợp, kg;
R h - Hằng số chất khí của hơi nước, Rh = 462 J/kg.K
1.2 Các thông số trạng thái của không khí ẩm
1.2.1 Áp suất không khí Áp suất không khí, ký hiệu là P Nói chung giá trị P thay đổi theo không gian và thời gian Áp suất khí quyển phụ thuộc rất nhiều vào độ cao, ở ngang mức mặt nước biển, áp suất khí quyển khoảng 1 atm, nhưng ở độ cao trên 8000m thì áp suất chỉ còn 0,32 atm và nhiệt độ sôi của nước chỉ còn 71 o C
Trong kỹ thuật sấy, áp suất khí quyển ở mực nước biển được sử dụng làm tiêu chuẩn với giá trị Po = 760 mmHg Đồ thị I-d của không khí ẩm thường được xây dựng tại hai mức áp suất là P = 745 mmHg và Po = 760 mmHg.
- Độ ẩm tuyệt đối Độ ẩm tuyệt đối là khối lượng hơi ẩm trong 1m 3 không khí ẩm Giả sử trong V
(m 3 ) không khí ẩm có chứa Gh(kg) hơi nước thì độ ẩm tuyệt đối ký hiệu là ρh được tính như sau : ρh = G h
Vì hơi nước trong không khí có thể coi là khí lý tưởng nên: ρh = 1 v h = P h
Trong đó: ρh - độ ẩm tuyệt đối , kg/m 3 ph - áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí chưa bão hoà, N/m 2
R h - Hằng số của hơi nước Rh = 462 J/kg.K
T - Nhiệt độ tuyệt đối của không khí ẩm, tức cũng là nhiệt độ của hơi nước, K vh – thể tích riêng của hơi nước, m 3 /kg
Độ ẩm tương đối, ký hiệu là ϕ (%), là tỉ lệ giữa độ ẩm tuyệt đối (ρh) và độ ẩm bão hòa (ρmax) tại cùng một nhiệt độ trong không khí.
Độ ẩm tương đối của không khí ẩm được định nghĩa là tỷ lệ giữa lượng hơi nước có trong 1m³ không khí ẩm và lượng hơi nước tối đa mà 1m³ không khí có thể chứa khi đã bão hòa ở cùng một nhiệt độ.
Độ ẩm tương đối là chỉ số thể hiện lượng hơi nước có trong không khí ẩm so với không khí bão hòa ở cùng nhiệt độ Để tính toán độ ẩm tương đối của không khí, chúng ta áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng cho hỗn hợp không khí ẩm.
Độ ẩm tương đối ϕ của không khí được tính bằng tỷ lệ giữa áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm (Ph) và áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí bão hòa (Pbh) tại cùng một nhiệt độ.
Khi: φ = 0, đó là trạng thái không khí khô tuyệt đối
0 < φ < 100% , đó là trạng thái không khí ẩm chưa bão hoà φ = 100% đó là trạng thái không khí ẩm bão hòa
Trong quá trình sấy, áp suất hơi nước riêng phần (Ph) tăng lên khi hơi nước từ vật liệu thoát vào không khí, trong khi đó áp suất hơi nước bão hòa (Pbh) giảm do nhiệt độ không khí sấy giảm Quá trình sấy sẽ dừng lại khi Ph bằng Pbh, tương ứng với độ ẩm ϕ đạt 100%.
1.2.3 Khối lượng riêng và thể tích riêng
- Khối lượng riêng của không khí là khối lượng của một đơn vị thể tích không khí Ký hiệu là ρ, đơn vị kg/m 3
Khối lượng riêng của không khí ẩm bằng tổng số khối lượng riêng của không khí khô và của hơi nước ở cùng một nhiệt độ ρ = ρkkk + ρh (14.9)
Khối lượng riêng của không khí trong điều kiện tiêu chuẩn được ký hiệu là ρ0, đo bằng kg/m³ Áp suất chung của hỗn hợp không khí ẩm được ký hiệu là p Áp suất riêng phần của hơi nước được tính bằng công thức φP bh = Ph.
To, T - nhiệt độ của không khí ở điều kiện tiêu chuẩn và điều kiện làm việc, K
Khối lượng riêng không khí thay đổi theo nhiệt độ và áp suất không khí
- Đại lượng nghịch đảo của khối lượng riêng là thể tích riêng, là thể tích của một đơn vị khối lượng vật thể
Trong đó: γ – thể tích riêng, m 3 /kg ρ- khối lượ
1.2.4 Hàm ẩm của không khí ẩm
Hàm ẩm của không khí ẩm là khối lượng nước chứa trong 1kg không khí khô tuyệt đối, ký hiệu d
Trong đó: Gh – Khối lượng hơi nước chứa trong không khí, kg
Gk – Khối lượng không khí khô, kg
1.2.5 Nhiệt lượng riêng (enthanpy) của không khí ẩm
Nhiệt lượng riêng (I) của không khí ẩm bằng tổng nhiệt lượng riêng của không khí khô và hơi nước ở trong hỗn hợp, đơn vị đo là j/kg kkk
Nhiệt lượng riêng của không khí ẩm trong đó có chứa 1kg không khí khô là :
Ckkk: nhiệt dung riêng của không khí khô, J/kg o C t : nhiệt độ của không khí, o C i h : nhiệt lượng riêng của hơi nước ở nhiệt độ t, kJ/kg
Nhiệt lượng riêng của hơi nứơc ihđược xác định bằng thực nghiệm i h ≈ (2500 +1,97t).10 3 J/kg
Khi làm lạnh hỗn hợp không khí ẩm chưa bão hòa đến nhiệt độ ts, không khí sẽ đạt trạng thái bão hòa hơi nước Nếu tiếp tục làm lạnh, hơi nước trong hỗn hợp sẽ ngưng tụ thành hạt sương mù, dẫn đến việc hàm ẩm d bắt đầu giảm xuống.
CÂN B ẰNG VẬT LIỆU VÀ NHIỆT LƯỢNG TRONG MÁY SẤY BẰNG KHÔNG KHÍ
Hình 14.16 Xác định nhiệt độ bầu ướt
Hình 17.19 Xác định thể tích riêng
Hình 14.15 Xác định độ ẩm tương đối
Hình 14.14 Xác định điểm biểu diễn trạng thái không khí (điểm B)
Hình 17.19 Xác định nhiệt độ điểm sương
Các loại nông sản và thực phẩm tự nhiên luôn chứa một lượng nước nhất định, được gọi là độ ẩm, biểu thị bằng phần trăm (%) so với khối lượng vật liệu Độ ẩm có thể được ký hiệu theo khối lượng vật liệu ướt hoặc khối lượng vật liệu khô, và ngoài đơn vị tính là %, nó cũng có thể được tính theo tỷ số thập phân.
Các phương trình tính độ ẩm vật liệu như sau
Trong đó: Wp - độ ẩm tính theo khối lượng vật liệu ướt, %
W k - độ ẩm tính theo khối lượng vật liệu khô, %
Gn - khối lượng nước có trong vật liệu, kg
Gk - khối lượng vật liệu khô, kg
Khối lượng vật liệu chung (G) bao gồm cả vật liệu khô và nước, được tính bằng G = Gk + Gn Độ ẩm tính theo khối lượng vật liệu ẩm là một chỉ số quan trọng trong ngành công nghiệp thực phẩm Đối với một loại vật liệu, độ ẩm tính theo vật liệu khô luôn lớn hơn so với độ ẩm tính theo vật liệu ướt, với sự chênh lệch này nhỏ khi độ ẩm thấp nhưng tăng nhanh khi độ ẩm cao Các sản phẩm có độ ẩm cao như rau và quả có thể đạt tới 90% độ ẩm tính theo vật liệu ướt, trong khi độ ẩm tính theo vật liệu khô có thể lên tới 900%.
Ví dụ : Một khối hạt ẩm có khối lượng 2000kg, lượng nước trong hạt ẩm là
500kg Khối hạt này được làm khô đến độ ẩm cuối là 14% (theo vật liệu ướt)
- Hãy xác định độ ẩm ban đầu, độ ẩm cuối của hạt (tính theo độ ẩm vật liệu khô, ướt)
- Bao nhiêu nước được tách ra khỏi hạt trong quá trình sấy?
- Xác định độ ẩm ban đầu, độ ẩm cuối của hạt
Theo đề bài, ta có:
Khối lượng chất khô của khối hạt được tính bằng công thức Gk = G – Gn = 2000 - 500P0kg Áp dụng các phương trình (14.22) và (14.23), chúng ta có thể xác định độ ẩm ban đầu của hạt dựa trên khối lượng vật liệu ướt (W1p) và khô (W1K).
=G = − Tương tự ta tính độ ẩm cuối của hạt theo vật liệu ướt (W2P) và theo vật liệu khô
Theo đề bài, ta có W2P% Áp dụng phương trình (14.24), ta được:
- Khối nước được tách ra khỏi hạt trong quá trình sấy (W)
Gọi G2nlà khối lượng nướ có trong vật liệu sau khi sấy Áp dụng phương trình
Thay W 2P % và G k 00kg, ta tìm được:
14 G 2n +14.1500= 100.G 2n hay 86.G 2n = 14.1500 → G2n$4kg Khối nước được tách ra khỏi hạt trong quá trình sấy:
2.2 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy sấy bằng không khí
Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy sấy bằng không khí (hình 14.20)
1- cửa không khí vào, 2- phòng sấy, 3- cửa nạp liệu, 4- băng tải,
5- cửa tháo sản phẩm, 6- caloriphe sưởi, 7- quạt
Vật liệu sấy được đưa vào máy sấy qua cửa nạp liệu 3 và được vận chuyển bằng băng tải 4 vào phòng sấy 2, sau đó sản phẩm được tháo ra qua cửa 5 Không khí bên ngoài được hút vào bởi quạt 7 qua cửa 1, đi qua caloriphe sưởi 6 để được làm nóng trước khi vào phòng sấy 2 Tại caloriphe sưởi 6, không khí được đun nóng đến nhiệt độ cần thiết, sau đó tiếp xúc với vật liệu sấy, cung cấp nhiệt để nước trong vật liệu bay hơi.
Hình 14.20 Sơ đồ máy sấy không khí
Sau khi quá trình sấy hoàn tất, sản phẩm sẽ được tháo ra ngoài, trong khi không khí ẩm từ quá trình sấy sẽ được quạt hút ra ngoài Để đảm bảo hiệu quả sấy, đôi khi cần bổ sung nhiệt cho không khí sấy bằng cách sử dụng caloriphe đặt trong phòng sấy Caloriphe này có thể được làm nóng bằng hơi nước hoặc khói lò để cung cấp nhiệt trực tiếp cho không khí trong phòng sấy.
Khi vật liệu sấy không yêu cầu cao về hình thức và màu sắc, máy sấy sử dụng tác nhân sấy là khói lò trở thành lựa chọn hợp lý Trong quá trình này, máy sấy không cần thiết bị caloriphe, mà chỉ cần lò đốt nhiên liệu và phòng trộn khói lò với không khí lạnh để giảm nhiệt độ của khói trước khi đưa vào phòng sấy.
Hình 14.21 Sơ đồ máy sấy bằng khói lò
2.3 Cân bằng vật liệu trong máy sấy không khí
Ta đặt một số ký hiệu:
G1, G2 : lượng vật liệu trước khi vào và sau khi ra khỏi máy sấy
G k : lượng vật liệu khô tuyệt đối đi qua máy sấy, kg/s
W1, W2: độ ẩm vật liệu trước và sau khi sấy (%, so với khối lượng vật liệu ướt)
W : lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu khi qua máy sấy, kg/s
Lượng không khí khô tuyệt đối đi qua máy sấy được tính bằng kg/s Hàm ẩm của không khí trước khi vào caloriphe là d o (kg/kgkkk) Các giá trị d 1 và d 2 lần lượt đại diện cho hàm ẩm của không khí trước khi vào máy sấy (sau khi đã qua caloriphe sưởi) và sau khi ra khỏi máy sấy, cũng được tính bằng kg/kgkkk.
Trong quá trình sấy, không xảy ra hiện tượng mất mát vật liệu, vì vậy lượng vật liệu khô tuyệt đối vẫn không bị biến đổi.
- Lượng ẩm tách ra trong quá trình sấy
(14.26) Lượng ẩm tách ra khỏi vật liệu trong quá trình sấy : W = G1 - G 2
- Lượng không khí khô tuyệt đối đi qua máy sấy :
Ta xem như không khí khô tuyệt đối đi qua máy sấy không bị mất mát trong suốt quá trình sấy
+ L : lượng không khí khô tuyệt đối đi qua máy sấy
+ Ld1: lượng ẩm do không khí mang vào phòng sấy, kg ẩm/s
+ Sau khi sấy, lượng ẩm bay ra khỏi vật liệu là W, do đó lượng ẩm trong không khí đi ra khỏi máy sấy là: Ld1 + W [kg/s]
Mặt khác, ta có lượng ẩm trong không khí đi ra máy sấy là : L.d2 [kg/s]
Từ đó ta có : Ld1 + W = Ld 2
Công thức (14.29) xác định L là lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi
W kg ẩm trong vật liệu Từ đó ta có thể tính được lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1kg ẩm là :
Khi không khí đi qua caloriphe sưởi, nhiệt độ của nó sẽ tăng lên nhưng độ ẩm không thay đổi do hiện tượng bay hơi ẩm vào không khí Do đó, ta có mối quan hệ xo = x1.
2.4 Cân bằng nhiệt lượng trong máy sấy bằng không khí
Phương trình cân bằng nhiệt lượng :
+ Nhiệt lượng do không khí mang vào LIo
+ Nhiệt lượng do vật liệu mang vào G2.C vl θ1 + WCθ1
+ Nhiệt lượng do bộ phận vận chuyển mang vào : GvcCvctd
+ Nhiệt lượng do caloriphe chính cung cấp Qs
+ Nhiệt lượng do caloriphe bổ sung cung cấp Qb
∑Qvào = LI o + G 2 C vl θ1 + WCθ1 + G vc C vc t d + Q s + Q b
+ Nhiệt lượng do không khí mang ra LI2
+ Nhiệt lượng do vật liệu mang ra G 2 Cvlθ2
+ Nhiệt lượng do bộ phận vận chuyển mang ra : GvcC vc t c
+ Nhiệt lượng tổn thất Qm
∑Qra = LI 2 + G 2 C vl θ2 + G vc C vc t c + Q m
Theo phương trình cân bằng nhiệt lượng ta có
LIo + G2Cvlθ1 + WCθ1 + GvcCvctd + Qs + Qb = LI2 + G2.Cvl.θ2 + GvcCvctc + Qm
Qs + Qb = L(I2- I0) + G2Cvl(θ2-θ1) + GvcCvc(tc-t đ ) - WCθ1 + Qm
Ta đặt: G2Cvl(θ2-θ1) = Qvl: nhiệt lượng đun nóng vật liệu sấy
G2Cvc(tc-t đ ) = Qvc: nhiệt lượng đun nóng bộ phận vận chuyển
Ta có: Qs + Qb = L(I2- I0) + Qvl + Qvc + Qm - WCθ1
Nhiệt lượng cần cung cấp cho máy sấy là: Q = Q s + Qb
Nhiệt lương cung cấp cho máy sấy để làm bay hơi 1 kg ẩm là:
Q =q – nhiệt lượng đốt nóng bộ phận vận chuyển khi 1 kg ẩm bay hơi, J/kg ẩm
Q =q – là nhiệt lượng đốt nóng vật liệu sấy tính khi 1 kg ẩm bay hơi, J/kg ẩm
Q =q – là nhiệt lượng mất mát tính khi 1 kg ẩm bay hơi, J/kg ẩm
Để làm bay hơi 1 kg ẩm, lượng không khí khô cần thiết được tính bằng kg/kg Tổng nhiệt lượng tổn thất, ký hiệu là Σq, bao gồm nhiệt lượng từ quá trình bay hơi nước trong vật liệu (qvl), nhiệt lượng từ việc đun nóng vật liệu và các bộ phận vận chuyển (qvc), cùng với nhiệt lượng thất thoát ra môi trường (qm).
→ q s = l(I2 - Io) - ∆ (14.36) Ý nghĩa của đại lượng ∆: qb + Cθ1 - là nhiệt lượng bổ sung chung do nhiệt lượng bổ sung ở caloriphe bổ sung (qb) và nhiệt lượng do hơi nước mang vào (θ1C)
∆ - chính là nhiệt lượng bổ sung chung (qb + θ1C) trừ cho nhiệt lượng tổn thất chung (∑q), do đó người ta gọi là ∆ là nhiệt lượng bổ sung thực tế
2.5 Sấy lý thuyết và sấy thực tế
Trong sấy lý thuyết, ta coi các lượng nhiệt bổ sung và nhiệt tổn thất đều bằng không, nghĩa là: qb = θ1C = qvl = qvc = qm= 0 hay ∆ = 0
Trong thực tế, nếu lượng nhiệt bổ sung bằng lượng nhiệt tổn thất (qb + θ1C ∑q ⇒ ∆ = 0) thì cũng coi như sấy lý thuyết
Khi sấy lý thuyết ta sẽ có: qs = l(I 2 - I 0 )
Mặt khác, khi qua caloriphe sưởi không khí được đun nóng từ tođến t1do đó nhiệt lượng riêng của không khí tăng từ I0đến I1
Vậy qscó thể tính theo biểu thức: qs = l(I1 - I0)
Vậy khi sấy lý thuyết, nhiệt lượng riêng của không khí không thay đổi trong suốt quá trình I = const
Biểu diễn quá trình sấy trên đồ thị
+ Trạng thái đầu của không khí ứng với hai thông số to và ϕ0 được biểu diễn bằng điểm A trên đồ thị I - d Từ điểm A ta xác định được I0, x0
+ Nhiệt độ t1 có thể biết trước, do đó theo đường do = d 1 ta tìm được giao điểm
B, tức là điểm đặc trưng cho trạng thái không khí trước khi vào phòng sấy
Trong quá trình sấy lý thuyết, ta có I2 = I1 Do đó, khi biết một trong hai thông số t2 hoặc ϕ2 của không khí sau khi sấy, ta có thể vẽ đường I1 = I2 để xác định giao điểm C, đại diện cho trạng thái cuối của không khí.
Vậy đường ABC là đường biểu diễn quá trình sấy lý thuyết
Khi vẽ đường biểu diễn quá trình sấy, chúng ta có thể xác định các thông số đặc trưng cho trạng thái không khí, từ đó giúp xác định các đại lượng cần thiết.
Hình 14.22 Biểu diễn quá trình sấy lý thuyết
Trong sấy thực tế, lượng nhiệt bổ sung chung khác với lượng nhiệt tổng thất chung, do đó ta có: ∆ ≠ 0
Theo phương trình ta có: qs = l(I2 - I0) - ∆ (1) Mặt khác ta cũng có: qs = l(I1 - I0) (2) Cân bằng 2 phương trình (1) và (2) ta có: l(I 2 - I 0 ) - ∆ = l(I1 - I 0 ) l(I2 - I1) = ∆
Trong thực tế có thể xảy ra 3 trường hợp:
+ Nhiệt lượng bổ sung chung lớn hơn nhiệt lượng tổn thất chung: ∆> 0
+ Nhiệt lượng bổ sung chung không đủ bù lượng nhiệt tổn thất chung: ∆< 0
+ Nhiệt lượng bổ sung chung bằng nhiệt lượng tổn thất chung: ∆= 0 ⇒ I2 = I 1 Đây là trường hợp của sấy lý thuyết
Vì I2 > I1nên đường I 2 nằm trên đường I 1 ; tức là đường sấy thực tế nằm trên đường sấy lý thuyết
Vì I 2 ph, ẩm từ vật liệu sẽ bay hơi vào môi trường xung quanh Ngược lại, khi pM < ph, vật liệu sẽ hút ẩm từ môi trường Tình trạng pM = ph biểu thị trạng thái cân bằng, nơi quá trình bay hơi ngừng lại, được gọi là cân bằng động Độ ẩm của vật liệu trong điều kiện này được gọi là độ ẩm cân bằng, ký hiệu là Co.
C o phụ thuộc vào pM và p h
Mà p M phụ thuộc vào độ ẩm của vật liệu, nhiệt độ và dạng liên kết ẩm với vật liệu
+ Khi nhiệt độ và độ ẩm của vật liệu tăng thì pM tăng và ngược lại
+ Lực liên kết ẩm với vật liệu càng lớn thì pmcàng giảm và ngược lại
Do đó Cophụ thuộc vào tính chất liên kết ẩm với vật liệu và trạng thái môi trường xunh quanh (t 0 , ϕ )
Quan hệ giữa độ ẩm cân bằng và ϕkkở điều kiện đẳng nhiệt được biểu diễn ở đồ thị (Hình 14.23)
Hình 14.23 Mối quan hệ giữa độ ẩm cân bằng C o và ϕ kk Đường cong chia đồ thị làm hai miền:
Mi ền h út ẩm Ẩm tách được
+ Miền bên trái đường cong là miền hút ẩm: vật liệu có khả năng hút nước để chuyển về trạng thái cân bằng
+ Miền bên phải của đường cong là miền sấy (nhả ẩm)
Điểm I tương ứng với ϕ = 100% được gọi là điểm hút nước, tại đó pM = p h = p bh Độ ẩm của vật liệu tại điểm I được gọi là độ ẩm hút nước Những vật liệu có độ ẩm lớn hơn độ ẩm hút nước được phân loại là vật liệu hút nước.
- Sự liên kết ẩm trong vật liệu
Liên kết hấp phụ đơn phân tử xảy ra trên bề mặt và trong các lỗ mao quản của vật liệu, nơi một lớp phân tử nước được hấp thụ Mặc dù lực liên kết này rất mạnh, lượng ẩm hấp phụ lại rất nhỏ và khó đo đếm Quá trình sấy không thể loại bỏ hoàn toàn lớp ẩm này.
Liên kết hấp phụ đa phân tử, hay còn gọi là liên kết hấp phụ hóa lý, có lực liên kết mạnh đối với phần ẩm, khiến cho khi sấy, chỉ có thể tách ra một phần của độ ẩm này.
Lực liên kết mao quản, do lực hút của các mao quản nhỏ (r < 10 -5 cm) tạo ra, có cường độ yếu Khi tiến hành sấy, lực liên kết này có thể bị tách hoàn toàn.
Liên kết kết dính là hiện tượng ẩm bám trên bề mặt vật liệu hoặc trong các mao quản lớn Độ ẩm này hình thành khi lực liên kết trên bề mặt vật liệu không đủ mạnh, dẫn đến sự dễ dàng tách rời của nước.
Quá trình sấy chủ yếu loại bỏ các liên kết kết dính, mao quản và một phần liên kết đa phân tử, dẫn đến việc tách ra phần ẩm tự do.
- Quá trình bay hơi ẩm từ vật liệu: có 2 giai đoạn
Độ ẩm trên bề mặt vật liệu sẽ bay hơi vào môi trường xung quanh Tốc độ khuếch tán trong giai đoạn này phụ thuộc vào áp suất pM, áp suất hơi p h, nhiệt độ và tốc độ chuyển động của môi trường.
Khi độ ẩm bề mặt vật liệu thấp hơn độ ẩm bên trong, ẩm sẽ di chuyển từ trong ra ngoài do sự chênh lệch độ ẩm (gradien ẩm), diễn ra dưới dạng lỏng hoặc hơi Điều này xảy ra khi độ ẩm của vật liệu thấp hơn độ ẩm môi trường xung quanh.
Hình14.24 Sự bay hơi ẩm từ vật liệu sấy
Tế bào vật liệu Ẩm
4.2 Tốc độ sấy và các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ sấy
Tốc độ sấy được xác định bằng lượng nước bay hơi (kg) trên mỗi mét vuông bề mặt vật liệu (1m²) trong một giờ Công thức vi phân để biểu thị tốc độ sấy là: u dW.
W : lượng ẩm bay hơi trong thời gian sấy, kg
F : bề mặt chung của vật liệu sấy, m 2 τ : thời gian sấy, h
* Khi biết tốc độ sấy, ta có thể tìm được thời gian sấy theo công thức:
G k : lượng vật liệu khô tuyệt đối trong vật liệu sấy, kg
C 1 , C 2 : độ ẩm ban đầu và độ ẩm cuối của vật liệu, kg/kg vật liệu khô tuyệt đối,
Tốc độ sấy U thay đổi theo thời gian và giảm dần khi độ ẩm trong vật liệu sấy giảm, vì vậy không thể áp dụng công thức tính thời gian sấy một cách trực tiếp.
4.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới tốc độ sấy
Tốc độ sấy phụ thuộc vào nhiều yếu tố và có thể phân thành 3 nhóm:
Nhóm yếu tố đề cập đến loại vật liệu sấy:
+ Bản chất của vật liệu sấy thể hiện qua cấu trúc, thành phần hoá học, dạng liên kết ẩm
+ Hình dạng vật liệu sấy thể hiện qua kích thước, chiều dày lớp vật liệu
+ Độ ẩm ban đầu và cuối của vật liệu sấy
- Nhóm các yếu tố đề cập tới các nhân sấy:
+ Các thông số trạng thái của tác nhân sấy: nhiệt độ, độ ẩm tương đối và tốc độ chuyển động của không khí
Tác nhân sấy có thể là khói lò, hơi quá nhiệt hoặc không khí, và phương thức tiếp xúc giữa vật liệu và tác nhân sấy bao gồm đối lưu và tiếp xúc trực tiếp.
- Nhóm các yếu tố đề cập tới điều kiện sấy:
+ Chênh lệch nhiệt độ ban đầu và cuối của rác nhân sấy
+ Cấu tạo máy sấy, chế độ sấy
+ Sấy liên tục hoặc gián đoạn
4.4 Đường cong sấy, đường cong tốc độ sấy
Các đường cong chia làm 3 giai đoạn
- Giai đoạn 1 (AB): giai đoạn đốt nóng vật liệu
Trong thời gian ngắn, độ ẩm của vật liệu chỉ thay đổi nhẹ, trong khi nhiệt độ của vật liệu tăng đến mức nhiệt độ bầu ướt tương ứng với điều kiện không khí trong quá trình sấy, dẫn đến việc tốc độ sấy tăng nhanh chóng đến mức tối đa.
Giai đoạn 2 (BK) là giai đoạn sấy đẳng tốc, trong đó độ ẩm của vật liệu giảm nhanh và đồng đều trong một khoảng thời gian dài Nhiệt độ trong giai đoạn này được giữ ổn định ở mức nhiệt độ bầu ướt, và tốc độ sấy duy trì không đổi.
- Giai đoạn 3 (KC): giai đoạn giảm tốc
Thời gian sấy rất dài độ ẩm giảm xuống đạt độ ẩm cân bằng, nhiệt độ vật liệu sấy tăng lên dần khi bằng nhiệt độ không khí sấy
Kết luận: quá trình sấy một vật liệu ướt đến độ ẩm cân bằng gồm 2 giai đoạn chính
CÁC PHƯƠNG PHÁP VÀ THIẾT BỊ SẤY CÁC SẢN PHẨM THỰC PHẨM
Không khí nóng hoặc khói lò được sử dụng làm tác nhân sấy với nhiệt độ, độ ẩm và tốc độ phù hợp Chúng chuyển động bao trùm lên vật sấy, giúp ẩm trong vật sấy bay hơi và theo dòng tác nhân sấy.
Không khí có thể di chuyển theo nhiều hướng khác nhau, bao gồm cùng chiều, ngược chiều hoặc cắt ngang với dòng sản phẩm Bảng 14.3 cung cấp sự so sánh giữa các phương pháp chuyển động khác nhau của tác nhân sấy.
Sấy đối lưu có thể thực hiện theo mẻ (gián đoạn) hay liên tục
Sản phẩm sấy có thể được lấy ra theo mẻ hoặc liên tục, tùy thuộc vào quy trình nạp vào Caloriphe 2 có vai trò quan trọng trong việc làm nóng không khí, có thể là loại điện hoặc hơi nước Cấu trúc của hệ thống sấy rất đa dạng, phụ thuộc vào nhiều yếu tố như chế độ làm việc, loại vật liệu sấy, áp suất, phương pháp nung nóng không khí, chuyển động của tác nhân sấy, sơ đồ làm việc và cấu trúc của buồng sấy.
Trên hình 14.26 là sơ đồ nguyên lý sấy đối lưu bằng không khí nóng
Hình 14.26 Sơ đồ nguyên lý sấy đối lưu bằng không khí nóng
Hướng chuyển động tác nhân sấy Ưu điểm Nhược điểm
Tốc độ sấy ban đầu cao, ít bị co ngót, tỷ trọng thấp, sản phẩm ít hư hỏng, ít nguy cơ hư hỏng do VSV
Khó đạt được độ ẩm cuối thấp vì không khí nguội và ẩm thổi qua sản phẩm sấy
Năng lượng được sử dụng kinh tế hơn, độ ẩm cuối cùng thấp hơn
Sản phẩm dễ bị co ngót, hư hỏng do nhiệt Có nguy cơ hư hỏng VSV do không khí ẩm, ấm, gặp nguyên liệu ướt Thổi ngang
Kiểm soát điều kiện sấy linh hoạt với các vùng nhiệt được quản lý riêng biệt giúp đạt tốc độ sấy cao Tuy nhiên, việc đầu tư vào trang bị, vận hành và bảo dưỡng thiết bị phức tạp và đắt tiền là điều cần thiết.
5.1.2 Các máy sấy đối lưu
Thùng chứa hình trụ hoặc hình hộp với đáy dạng lưới cho phép không khí nóng thổi lên từ dưới với vận tốc thấp (khoảng 0,5 m/s) Nhờ sức chứa lớn và chi phí vận hành thấp, thiết bị này chủ yếu được sử dụng để sấy kết thúc sản phẩm sau khi đã được sấy trước bằng các thiết bị khác.
Nguyên liệu cần đáp ứng yêu cầu về độ cứng cơ học để chịu được áp lực từ thiết bị sấy cao vài mét, đồng thời phải duy trì khoảng trống giữa các hạt Điều này giúp không khí nóng có thể lưu thông hiệu quả, đảm bảo quá trình sấy diễn ra thuận lợi.
Thiết bị sấy được thiết kế làm việc liên tục với chiều dài lên đến 20m và rộng 3m, sử dụng băng chuyền lưới có đáy sâu từ 5-15 cm để chứa nguyên liệu Dòng khí sấy ban đầu được hướng từ dưới lên qua đáy nguyên liệu, sau đó chuyển hướng xuống dưới để giữ sản phẩm trên băng chuyền Trong các hệ thống sấy 2 hoặc 3 giai đoạn, nguyên liệu sau khi được sấy một phần sẽ được xáo trộn và chuyển vào băng chuyền tiếp theo, giúp cải thiện tính đồng nhất và tiết kiệm không gian Sản phẩm thường đạt độ ẩm 10-15% trước khi được sấy hoàn thiện trong thùng sấy Thiết bị có khả năng tạo ra các khu vực sấy độc lập, được kiểm soát tự động để giảm chi phí nhân công thông qua hệ thống nạp nguyên liệu và tháo sản phẩm tự động.
Hình 14.27 (a,b) Máy sấy băng tải
Nhiệt được cung cấp bằng dẫn nhiệt Ưu điểm chính so với sấy đối lưu :
+ Không cần thiết phải đun nóng lượng lớn không khí trước khi sấy do đó hiệu quả nhiệt cao hơn
+ Quá trình sấy có thể thực hiện không có mặt của oxy nên các thành phần dễ bị oxy hoá của nguyên liệu được bảo vệ
Nhu cầu nhiệt riêng cho quá trình bay hơi nước thường dao động từ 2000-3000 kJ/kg, trong khi máy sấy đối lưu yêu cầu từ 4000-10.000 kJ/kg Thực phẩm có độ dẫn nhiệt thấp thường khô hơn và khó dẫn nhiệt trong quá trình sấy, do đó cần sấy lớp mỏng để tăng tốc độ dẫn nhiệt, tránh hư hại cho sản phẩm.
Máy sSấy tang trống (sấy trục lăn) (roller dryer)
Các trục rỗng bằng thép được làm nóng bằng hơi nước áp suất cao ở nhiệt độ từ 120-170 độ C Nguyên liệu được trải đều lên bề mặt bên ngoài của trục bằng các phương pháp như nhúng, phun hoặc sử dụng trục lăn nạp liệu phụ Trước khi trục lăn hoàn thành một vòng quay, sản phẩm sấy sẽ được cào ra bằng lưỡi dao tiếp xúc với mặt trục Thiết bị sấy có thể được thiết kế với một trục, hai trục hoặc trục kép.
Thiết bị đơn trục được ưa chuộng nhờ tính linh động và hiệu suất cao, với tỷ lệ diện tích bề mặt lớn giúp tối ưu hóa quá trình sấy Chúng dễ dàng bảo trì và loại bỏ nguy cơ hư hại do kim loại rơi vào giữa các trục Thiết bị sấy trục có tốc độ sấy nhanh và hiệu quả năng lượng cao, phù hợp cho nguyên liệu dạng sệt với kích thước cấu tử lớn, không thể sử dụng phương pháp sấy phun.
Sấy trục lăn được ứng dụng trong sản xuất khoai tây dạng mãnh, ngũ cốc nấu sẵn, mật đường, xúp bột, pu rê trái cây và sữa tách kem Tuy nhiên, do chi phí cao và nguyên liệu nhạy cảm với nhiệt, phương pháp này đã bị thay thế bằng sấy phun trong sản xuất quy mô lớn.
Sấy thăng hoa là quá trình tách ẩm khỏi vật sấy thông qua sự thăng hoa của nước, diễn ra từ thể rắn sang thể hơi Để thực hiện quá trình này, thực phẩm cần được làm đông để chuyển ẩm từ dạng lỏng sang rắn, do đó còn được gọi là phương pháp Sấy lạnh đông (Freeze Drying hay Lyophilisation) Quá trình sấy thăng hoa bao gồm hai giai đoạn: làm lạnh đông và sấy khô trong môi trường chân không thấp Mặc dù có thiết bị hoạt động liên tục, chi phí đầu tư và vận hành vẫn rất cao, khiến phương pháp này chỉ được sử dụng cho các sản phẩm đắt tiền hoặc những sản phẩm không thể sấy bằng phương pháp khác Không phải nguyên liệu nào cũng phù hợp với sấy lạnh đông, vì những nguyên liệu dễ hư hại có thể dẫn đến kết cấu kém khi hồi nguyên Sấy thăng hoa, đặc biệt là phương pháp sấy nhanh (AFD: accelerated freeze drying), được áp dụng phổ biến tại Mỹ cho các nguyên liệu quý giá như thịt gia súc và gia cầm.
Ngoài ra nó còn được sử dụng để sấy các sản phẩm khác như: cà phê, gia vị, dược phẩm v.v
Các giai đoạn của sấy thăng hoa
+ Giai đoạn làm lạnh đông
Giai đoạn đầu tiên của quá trình sấy thăng hoa là làm lạnh đông sản phẩm, thực hiện qua hai phương pháp Phương pháp đầu tiên sử dụng thiết bị làm lạnh đông thông thường hoặc nitơ lỏng để làm lạnh sản phẩm bên ngoài buồng sấy thăng hoa Phương pháp thứ hai cho phép vật sấy tự lạnh đông ngay trong buồng sấy khi được hút chân không Việc làm lạnh đông nhanh chóng là cần thiết để hình thành các tinh thể băng nhỏ, giúp giảm thiểu hư hại đến cấu trúc tế bào của sản phẩm.
Máy sấy trục sử dụng phương pháp làm lạnh đông chậm cho sản phẩm dạng lỏng, tạo ra các lớp băng Những lớp băng này hình thành các kênh giúp hơi nước di chuyển dễ dàng hơn.
Giai đoạn tiếp theo trong quá trình sấy là tách nước để làm khô sản phẩm, với điều kiện áp suất hơi nước dưới 4,58 mmHg (610,5 Pa) và nước ở dạng băng Khi sản phẩm được cung cấp nhiệt, băng sẽ thăng hoa trực tiếp thành hơi mà không tan chảy Hơi nước được tách ra khỏi sản phẩm bằng cách duy trì áp suất trong buồng sấy thấp hơn áp suất hơi nước trên bề mặt băng, kết hợp với việc sử dụng máy bơm chân không và hệ thống ngưng tụ Khi quá trình sấy diễn ra, bề mặt thăng hoa di chuyển vào bên trong sản phẩm đông lạnh, giúp sản phẩm khô hơn Nhiệt lượng cần thiết cho quá trình thăng hoa được truyền đến sản phẩm qua dẫn nhiệt hoặc vi sóng Hơi nước thoát ra khỏi sản phẩm qua các kênh do băng thăng hoa tạo ra và được loại bỏ.
NH ỮNG BIẾN ĐỔI THỰC PHẨM TRONG QUÁ TRÌNH SẤY
6.1 Biến đổi vi sinh vật
Sấy giúp giảm thiểu hoặc tiêu diệt vi sinh vật trên bề mặt vật liệu, mặc dù vi sinh vật trong sản phẩm sấy thường khó phát triển Tuy nhiên, số lượng vi sinh vật trên mỗi đơn vị sản phẩm sấy thường cao hơn so với các sản phẩm lỏng khác Cần lưu ý rằng bào tử vi sinh vật không bị tiêu diệt trong quá trình sấy.
Do hiện tượng ẩm cục bộ trong vật liệu sấy, vi sinh vật có thể vẫn phát triển, mặc dù ở mức độ rất thấp.
6.2 Biến đổi do hóa học và hóa sinh học
Tốc độ phản ứng hóa học gia tăng khi nhiệt độ vật liệu tăng, như trong các phản ứng oxy hóa khử, Melanoidin và phân hủy protein, dẫn đến giảm khả năng thích nghi với sự tách nước Ngược lại, tốc độ phản ứng hóa học sẽ chậm lại khi môi trường nước giảm dần, nhưng thường thì xu thế tăng tốc diễn ra mạnh mẽ hơn.
Hàm ẩm giảm dần trong quá trình sấy Thường ẩm phân bố không đều trong vật liệu, nhất là các vật liệu có kích thước lớn
Trong giai đoạn đầu của quá trình sấy, nhiệt độ vật liệu tăng dần, kích thích hoạt động mạnh mẽ của các hệ enzim, đặc biệt là enzim oxy hóa khử, gây ảnh hưởng tiêu cực đến vật liệu Do đó, việc diệt peroxydase và polyphenoloxydase trước khi sấy là cần thiết Trong giai đoạn sau khi sấy, một số enzim, đặc biệt là enzim oxy hóa khử, không bị hoàn toàn đình chỉ và vẫn có thể tiếp tục hoạt động yếu trong thời gian bảo quản, với khả năng phục hồi hoạt động sau một thời gian nhất định.
Nếu các enzym không bị mất hoạt tính do xử lý sơ bộ hoặc tác động của nhiệt độ trong quá trình sấy, điều này có thể dẫn đến việc tạo màu của polyphenol hoặc thủy phân lipid.
Tế bào sống chuyển hóa thành tế bào chết do tác động của nhiệt độ, dẫn đến sự biến tính không thuận nghịch của chất nguyên sinh và tình trạng mất nước Sự biến đổi này cũng ảnh hưởng đáng kể đến các mô, đặc biệt là mô che chở và mô dẫn.
6.3 Biến đổi về lý học
-Có hiện tượng co thể tích, khối lượng riêng tăng lên
-Có sự biến đổi nhiệt độ: là sự tạo gradien nhiệt độ ở mặt ngoài và mặt trong của vật liệu
Biến đổi tính chất cơ lý của thực phẩm dạng rắn là nguyên nhân chính dẫn đến sự giảm chất lượng Quá trình sấy thực phẩm gây ra các hiện tượng như nứt nẻ, co ép và biến dạng, làm tế bào bị co lại Những thay đổi cấu trúc này là kết quả của hồ hoá tinh bột, biến tính protein và sự thay đổi cục bộ của độ ẩm trong suốt quá trình sấy.
Tốc độ sấy nhanh và nhiệt độ cao làm thay đổi cấu trúc thực phẩm nhiều hơn so với sấy ở tốc độ vừa phải và nhiệt độ thấp.
Trong quá trình sấy, lượng nước và chất tan di chuyển từ bên trong thực phẩm ra bề mặt, làm tăng nồng độ chất tan tại đây Sự đóng rắn trên bề mặt dẫn đến tắc nghẽn các mao quản thoát nước Cơ chế và tốc độ di chuyển của chất tan phụ thuộc vào loại thực phẩm và điều kiện sấy Khi nhiệt độ sấy cao, đặc biệt với trái cây, cá và thịt, tạo ra các phức hợp hóa học, thay đổi tính chất vật lý của chất tan và hình thành lớp vỏ khó thấm nước Do đó, quá trình hấp thụ nước trở lại của các sản phẩm này chậm hơn và không đạt được cấu trúc như nguyên liệu tươi ban đầu.
6.4 Biến đổi về hóa lý
Trong giai đoạn đầu của quá trình sấy, ẩm khuếch tán từ lớp ngoài vào trong vật liệu do chênh lệch gradient nhiệt độ Hiện tượng này gây cản trở cho việc di chuyển ẩm từ bên trong ra ngoài bề mặt, làm chậm quá trình sấy.
Quá trình sấy không chỉ liên quan đến sự khuếch tán ẩm mà còn bao gồm sự chuyển pha từ lỏng sang hơi, cùng với ảnh hưởng của hệ keo Các loại keo có tính chất khác nhau sẽ ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán; keo ghét nước sẽ khuếch tán nhanh chóng, trong khi keo háo nước sẽ khuếch tán chậm, và keo ngậm nước sẽ không thể thực hiện quá trình sấy.
Trong quá trình sấy có thể tạo ra lớp màng ngoài vật liệu có tính keo hạn chế sự khuếch tán ẩm
6.5 Các biến đổi khác trong quá trình sấy
Một số chất màu thường mất đi dưới tác dụng của nhiệt độ nhưng cường độ màu thực phẩm sau khi sấy tăng lên do ẩm giảm
Một số nguyên nhân gây nên tổn thất hay thay đổi màu sắc của thực phẩm trong khi sấy, như:
+ Đặc tính bề mặt của thực phấm sẽ thay đổi trong suốt quá trình sấy, vì thế nó sẽ thay đổi hệ số phản xạ và màu sắc
Phản ứng oxy hóa trong trái cây và rau quả gây ra sự thay đổi hóa học của carotenoid và chất màu, chủ yếu do nhiệt độ cao và hoạt động của enzyme polyphenoloxidase, dẫn đến hiện tượng sẫm màu trong quá trình bảo quản Để hạn chế hiện tượng này, việc xử lý bằng vitamin C hoặc SO2 được áp dụng Tuy nhiên, tốc độ sẫm màu có thể tỷ lệ nghịch với lượng SO2, nhưng SO2 cũng có khả năng tẩy màu anthocyanin và ảnh hưởng đến sức khỏe, do đó, việc sử dụng SO2 trong thực phẩm hiện đang bị hạn chế ở nhiều quốc gia.
Tốc độ sẫm màu trong sản phẩm sữa và trái cây phụ thuộc vào hoạt độ nước và nhiệt độ bảo quản Khi sấy ở nhiệt độ cao, tốc độ sẫm màu tăng nhanh chóng, đặc biệt khi hàm ẩm vượt quá 4-5% và nhiệt độ bảo quản trên 38 độ C.
Nhiệt độ trong quá trình sấy không chỉ làm bay hơi nước mà còn gây mất mát hợp chất bay hơi, dẫn đến việc một số mùi hương, đặc biệt là mùi có nguồn gốc sinh học, bị giảm sút Do đó, thực phẩm sấy thường có hương vị kém hơn so với nguyên liệu ban đầu Mức độ tổn thất này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ sấy, hàm lượng ẩm, khả năng bay hơi và hòa tan trong nước Các hợp chất có khả năng bay hơi và khuếch tán cao thường bị thất thoát ở giai đoạn đầu của quá trình sấy Vì vậy, để bảo tồn hương vị cho những thực phẩm có giá trị kinh tế cao, cần thực hiện sấy ở nhiệt độ thấp.
Những thực phẩm có cấu trúc xốp dễ dàng cho phép oxy xâm nhập, dẫn đến việc oxy hóa các hợp chất bay hơi và gây tổn thất mùi thơm.
Tuy nhiên một số mùi thơm lại được phát huy, như sấy chè, sấy malt