Nghiên cứu thực nghiệm sấy nông sản thực phẩm ở nhiệt độ thấp

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 112 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SẤY NÔNG SẢN THỰC PHẨM Ở NHIỆT ĐỘ THẤP EXPERIMENTAL STUDIES FOR DRYING OAGRICULTURAL FOOD PRODUCTS AT LOW TEMPERATURE SVTH: BÙI TUẤN SƠN - VÕ NHƢ QUANG Lớp : 03N1 – Khoa CNNĐL – Trường Đại học Bách Khoa GVHD : PGS.TS HOÀNG NGỌC ĐỒNG Khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh – Trường Đại học Bách Khoa TÓM TẮT Bài báo này trình bày nghiên cứu thực nghiệm trên mô hình thực tế thiết bị sấy ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt. Dựa trên các số liệu thí nghiệm, ta có thể xác định được mối quan hệ giữa chế độ sấy và thời gian sấy, rồi từ đó đưa ra các nhận xét và kết luận về hiệu quả làm việc của thiết bị sấy sử dụng bơm nhiệt. SUMMARY The article presents experimental studies on model of low-temperature drying equipment with heat pump. Based on the results of the experiment, we can define the relationship between drying conditions and drying time, and make remarks and conclusions about effectiveness of the drying equipment with heat pump. 1. Mở đầu: Hiện nay trong thời kỳ hội nhập WTO, khối lƣợng sản phẩm xuất khẩu của nƣớc ta ngày càng tăng, các yêu cầu đối với chất lƣợng sản phẩm sấy nhƣ rau, củ, quả, dƣợc liệu quý hiếm… ngoài độ khô còn đòi hỏi phải đảm bảo màu sắc, mùi vị, chất lƣợng sản phẩm cao. Các phƣơng pháp sấy ở nhiệt độ cao có thể phá huỷ các chất hoạt tính sinh học nhƣ hóc môn, màu, mùi vị, men, vitamin, protêin… và làm thay đổi chất lƣợng sản phẩm. Vì vậy để đáp ứng đƣợc yêu cầu về chất lƣợng sản phẩm, giữ đƣợc màu sắc, mùi vị tự nhiên sau khi sấy, ngƣời ta đã áp dụng phƣơng pháp sấy ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt. Phƣơng pháp này có các ƣu điểm sau: - Phù hợp với điều kiện khí hậu nóng ẩm ở Việt Nam. - Điện năng sử dụng cũng thấp hơn so với phƣơng pháp dùng máy hút ẩm hấp phụ. - Thích hợp để sấy khô các vật phẩm không chịu đƣợc nhiệt độ cao. - Chất lƣợng, màu sắc và mùi vị của sản phẩm sấy đƣợc giữ tốt hơn. Để có thể đánh giá chính xác hơn khả năng ứng dụng và hiệu quả kinh tế của thiết bị sấy ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt, trong đề tài này chúng tôi đã tiến hành xây dựng mô hình sấy sử dụng bơm nhiệt và cũng đã tiến hành thí nghiệm với một số nông sản. Các kết quả sẽ đƣợc trình bày trong báo cáo này. 2. Nội dung: 2.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của thiết bị sấy sử dụng bơm nhiệt. 2.1.1. Cấu tạo. - Bơm nhiệt: bao gồm máy nén, van tiết lƣu, dàn lạnh, dàn nóng. Công suất máy nén: 1,86 KW. Diện tích dàn lạnh: 0,672 m2. Diện tích dàn nóng: 0,832 m2. - Buồng sấy:có kích thƣớc Dài x Rộng x Cao = 660 x 600 x 520 mm. Khung buồng sấy đƣợc làm bằng thép V, vỏ ngoài bằng tôn kẻm dẻo dày 0,35mm, lớp cách nhiệt bằng xốp dày 30mm. Phía trong buồng sấy có các vách ngăn hƣớng dòng cho dòng không khí, nhằm kéo dài thời gian dòng không khí di chuyển trong buồng sấy. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 113 - Ống gió: đƣợc làm bằng tôn kẽm dẻo dày 0,35 mm, có tiết diện 150 x 150 mm. - Khay sấy: có kích thƣớc Dài x Rộng = 600 x 540 mm. Khay sấy đƣợc làm bằng lƣới gắn cố định vào khung gỗ. - Giá đỡ: đƣợc làm bằng thép V. KK khäKK áøm 1 KK vaìo 7 2 4 9 Næåïc ngæng 4 7 1 23 5 6 8 911 10 14 12 13 15 16 a) Sơ đồ nguyên lý b) Cấu tạo Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý và cấu tạo của mô hình thực nghiệm thiết bị sấy sử dụng bơm nhiệt. a) Mặt trước b) Mặt sau 1 - Máy nén; 2 - Van tiết lưu; 3 - Động cơ quạt; 4 - Dàn lạnh; 5,6 - Quạt; 7 – Dàn nóng; 8 - Ống gió cấp; 9 - Buồng sấy; 10 - Lớp cách nhiệt; 11 – Khay sấy; 12 - Cửa thải gió ; 13 - Cửa cấp gió tươi; 14 - Kênh dẫn gió lạnh; 15 - Giá đỡ; 16 - Dây điện trở Hình 2.2: Mô hình thực nghiệm hệ thống sấy sử dụng bơm nhiệt 2.1.2. Nguyên lý hoạt động. Không khí ngoài trời đƣợc quạt (5) hút vào qua cửa cấp gió tƣơi (13) và đƣa qua dàn lạnh (4) và đƣợc làm lạnh xuống dƣới nhiệt độ đọng sƣơng nên ẩm sẽ ngƣng tụ và tách ra khỏi không khí. Dung ẩm của không khí giảm xuống nhƣng do nhiệt độ cũng giảm nên độ ẩm tƣơng đối của không khí sau khi ra khỏi dàn lạnh cũng cao (  95%). Không khí tiếp tục đƣợc quạt (6) hút qua kênh dẫn gió (15) và đi qua dàn nóng (7) và đƣợc làm nóng đẳng dung ẩm nên Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 114 độ ẩm của không khí giảm mạnh. Sau đó không khí khô đƣợc đƣa vào buồng sấy qua ống gió cấp (8) và hấp thụ ẩm của vật sấy. Không khí ra khỏi buồng sấy đƣợc thải ra môi trƣờng qua cửa thải gió (12). Van tiết lƣu (2) dùng để điều chỉnh tỷ số nén của bơm nhiệt. Dây điện trở (16) dùng để làm nóng không khí trong trƣờng hợp sấy bằng dây điện trở. 2.2. Kết quả thực nghiệm. - Địa điểm: Phòng thí nghiệm Nhiệt điện - Trƣờng Đại học Bách Khoa. - Thiết bị đo: Nhiệt kế điện tử, nhiệt kế thủy ngân, cân, ẩm kế, Ampe kìm, đồng hồ đo vận tốc gió, áp kế đo áp suất ngƣng tụ và áp suất bay hơi, bình đo lƣợng nƣớc tách ra từ dàn bay hơi, mô hình thực nghiệm bơm nhiệt. - Các ký hiệu: + t0, P0: nhiệt độ và áp suất bay hơi. + tk, Pk: nhiệt độ và áp suất ngƣng tụ. + t1: nhiệt độ môi trƣờng. + t2: nhiệt độ không khí sau dàn lạnh. + t3: nhiệt độ không khí sau dàn nóng. + I: cƣờng độ dòng điện. + Gnƣớc: lƣợng nƣớc ngƣng đƣợc tách từ dàn bay hơi. + v: tốc độ gió trong buồng sấy. 2.2.1. Các thông số thực nghiệm khi điều chỉnh khối lượng gas. - Mục đích: xác định ảnh hƣởng của khối lƣợng gas trong bơm nhiệt đến các thông số vận hành của mô hình bằng cách tăng lƣợng gas nạp vào hệ thống. - Kết quả thực nghiệm: Trước khi nạp thêm gas: T (phút) t0 ( 0 C) P0 (at) tk ( 0 C) Pk (at) t1 ( 0 C) t2 ( 0 C) t3 ( 0 C) I (A) Gnƣớc (g) 0 -20 1,4 30 10,8 30,5 26,9 33,7 7,4 0 20 0 4,15 43 16,0 31 25,8 46,5 9,3 90 40 0 4,15 43,5 16,4 31 26,2 47,2 9,3 220 60 0 4,15 44 16,6 31,5 26,5 47,8 9,2 360 Sau khi nạp thêm gas: T (phút) t0 ( 0 C) P0 (at) tk ( 0 C) Pk (at) t1 ( 0 C) t2 ( 0 C) t3 ( 0 C) I (A) Gnƣớc (g) 0 -15 2 34,5 12,7 30 25,3 37,3 7,4 0 20 0 4,15 47 17,8 30 22,5 48,9 9,5 120 40 0 4,15 49 18,4 30,5 22,9 50,4 9,8 310 60 0 4,15 49 18,4 31 23,8 52 9,9 520 Nhận xét: + Khối lƣợng gas trong hệ thống càng nhiều thì khả năng sấy của hệ thống càng tốt, khả năng tách ẩm của dàn lạnh càng cao. + Tuy nhiên nếu lƣợng gas quá nhiều thì máy nén có hiện tƣợng quá tải. 2.2.2. Các thông số thực nghiệm khi điều chỉnh tỷ số nén của bơm nhiệt. - Mục đích: xác định ảnh hƣởng của tỷ số nén đến các thông số vận hành của bơm nhiệt bằng cách điều chỉnh van tiết lƣu tay. - Kết quả: Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 115 STT t0 ( 0 C) P0 (at) tk ( 0 C) Pk (at) t1 ( 0 C) t2 ( 0 C) t3 ( 0 C) I (A) 1 -15 2,0 50,6 18,8 30 21,3 52,3 10,0 2 -10 2,65 50,1 18,7 30,5 21,7 51,7 9,9 3 -5 3,4 49,0 18,4 31 22,1 50,5 9,8 4 0 4,15 48,0 18,2 31,5 22,6 49,8 9,6 5 2 4,55 47,1 17,8 32 23,4 48,9 9,7 6 5 5,0 46,5 17,5 32 23,9 48,3 9,6 - Nhận xét: + Khi giảm tỷ số nén, hệ thống sẽ hoạt động hiệu quả hơn do khả năng tách ẩm của dàn lạnh tăng, đồng thời nhiệt độ vào buồng sấy cũng tăng. + Tuy nhiên nếu nhiệt độ bay hơi tăng trên 00C thì nhiệt độ t2 có xu hƣớng tăng lên kèm theo máy nén có hiện tƣợng quá tải. Do vậy ta chọn chế độ tiết lƣu để duy trì nhiệt độ bay hơi từ -50C đến 00C, ở trạng thái này máy hoạt động bình thƣờng. 2.2.3. Các thông số thực nghiệm khi điều chỉnh tốc độ gió trong buồng sấy. - Mục đích: xác định ảnh hƣởng của tốc độ gió trong buồng sấy đến các thông số vận hành của bơm nhiệt bằng cách điều chỉnh tốc độ quạt. -Kết quả: STT v (m/s) t0 ( 0 C) P0 (at) tk ( 0 C) Pk (at) t1 ( 0 C) t2 ( 0 C) t3 ( 0 C) I (A) 1 2,0 0 4,15 47,0 17,8 30,0 22,8 48,4 9,5 2 1,8 0 4,15 47,6 18,0 30,2 22,4 49,1 9,7 3 1,5 0 4,15 48,2 18,2 30,3 22,0 49,9 9,7 4 1,0 0 4,15 49,4 18,5 30,5 21,6 50,6 9,6 - Nhận xét: + Khi tốc độ gió giảm thì hiệu quả trao đổi nhiệt tăng lên nên khả năng tách ẩm của dàn lạnh cao hơn, đồng thời nhiệt độ không khí vào buồng sấy cũng tăng lên. + Tuy nhiên tốc độ gió quá thấp cũng sẽ làm cho Pk tăng lên, máy nén sẽ bị quá tải. 2.2.4. Xác định thời gian sấy. - Mục đích: xác định thời gian sấy với các năng suất khác nhau và các chế độ sấy khác nhau cho cùng một loại vật liệu, qua đó có thể so sánh hiệu quả kinh tế giữa các chế độ sấy để tìm ra chế độ sấy tối ƣu. - Vật liệu sấy: cà rốt thái lát, chiều dày  = 3 mm. a) Kết quả khi sấy bằng bơm nhiệt. Chọn chế độ tiết lƣu để duy trì nhiệt độ bay hơi ở nhiệt độ 00C và tốc độ gió trong buồng sấy là 1,5 m/s. * Chế độ sấy 1: Chế độ sấy liên tục Tlv = 360 phút, Gnƣớc = 970 g Tlv = 540 phút, Gnƣớc = 2040 g SẤY LIÊN TỤC, G = 2,4 kg 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 T(phút) (%) SẤY LIÊN TỤC, G = 10 kg 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10 0 3 60 90 120 15 180 210 240 27 300 330 360 390 420 450 480 510 540 T(phút) (%) Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 116 * Chế độ sấy 2: Chế độ sấy dịu Tlv= 300 phút, Tn=9 0 phút Tlv= 280 phút, Tn=160 phút Gnƣớc=1680 g Gnƣớc=810 g b) Kết quả khi sấy bằng điện trở. Để thuận tiện cho việc so sánh, ta điều chỉnh để công suất hoạt động khi sấy bằng điện trở bằng với công suất hoạt động của bơm nhiệt. Tlv = 420 phút * Nhận xét. - So với chế độ sấy liên tục thì thời gian sấy của chế độ sấy dịu tăng lên nhƣng thời gian làm việc của hệ thống lại giảm, nên công suất điện tiêu thụ thấp hơn so với chế độ sấy liên tục. Do đó tùy theo yêu cầu sản xuất ta có thể chọn chế độ sấy thích hợp để tiết kiệm năng lƣợng và tăng tuổi thọ của hệ thống. - So với phƣơng pháp sấy bằng điện trở, phƣơng pháp sấy ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt cho sản phẩm sấy giữ đƣợc màu sắc và mùi vị tự nhiên hơn, đồng thời cũng tiết kiệm năng lƣợng hơn. - Năng suất sấy tối ƣu của hệ thống đạt đƣợc từ 9 – 10 kg/mẻ. 3. Kết luận: Mô hình thiết bị sấy ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt đã đƣợc xây dựng và đƣa vào thử nghiệm đã đáp ứng đƣợc các yêu cầu đề ra và thu đƣợc các kết quả đáng tin cậy. Qua kết quả nghiên cứu sấy cà rốt ta thấy ƣu điểm nổi bật của phƣơng pháp sấy nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt là chi phí năng lƣợng thấp, chất lƣợng sản phẩm cao hơn so với các phƣơng pháp sấy nóng. Nhƣ vậy phƣơng pháp sấy ở nhiệt độ thấp sử dụng bơm nhiệt có ƣu thế lớn trong sấy nông sản thực phẩm, đặc biệt đối với các sản phẩm rau quả, dƣợc liệu có giá trị nên cần đƣợc tiếp tục nghiên cứu để tìm ra chế độ sấy hợp lý với từng loại sản phẩm nhằm mang lại hiệu quả kinh tế cao. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] PGS.TS Phạm Văn Tuỳ, KS Vũ Huy Khuê, KS Nguyễn Khắc Tuyên (2003), “Nghiên cứu hút ẩm và sấy lạnh rau củ thực phẩm bằng bơm nhiệt máy nén”, Tạp chí KH & CN Nhiệt, (9/2003), trang 10 – 12. [2] PGS.TS Phạm Văn Tuỳ, KS Phạm Văn Hậu (2004), “ Nghiên cứu thực nghiệm sấy lạnh dược liệu bằng bơm nhiệt nhiệt độ thấp”, Tạp chí KH & CN Nhiệt, (9/2004), trang 8-10. SẤY LIÊN TỤC ĐẾN PHÚT 120, NGHỈ 10 PHÚT, TIẾP TỤC SẤY 20 PHÚT, G = 2,4 kg 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 T(phút) (%) SẤY BẰNG ĐIỆN TRỞ - SẤY LIÊN TỤC G = 2,4 kg 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 60 120 180 240 300 360 420 T(phút) (%) SẤY LIÊN ỤC ĐẾN PHÚT 120 NGHỈ 20 PHÚT, TIẾP TỤC SẤY 20 PHÚT, G = 2,4 kg 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 0 30 60 90 1 0 16 200 240 280 320 360 400 440 T(phút) (%) T 3 2 4 1 S lgP 3 4 2 1 i