Nghiên cứu chế tạo máy sấy bằng bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại để sấy nông sản và thủy sản

Nội dung text: Nghiên cứu chế tạo máy sấy bằng bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại để sấy nông sản và thủy sản

1. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2021 NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÁY SẤY BẰNG BƠM NHIỆT KẾT HỢP BỨC XẠ HỒNG NGOẠI ĐỂ SẤY NÔNG SẢN VÀ THỦY SẢN RESEARCH ON FABRICATION OF HEAT PUMP DRYER COMBINED WITH INFRARED TO DRY AGRICULTURAL AND AQUATIC PRODUCTS Lê Như Chính1, Nguyễn Văn Phúc1, Huỳnh Văn Thạo1, Nguyễn Nguyên An2 1Trường ĐH Nha Trang 2Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội Tác giả liên hệ: Lê Như Chính (Email: chinhln@ntu.edu.vn) Ngày nhận bài: 26/02/2021; Ngày phản biện thông qua: 22/03/2021; Ngày duyệt đăng: 29/03/2021 TÓM TẮT Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu chế tạo máy sấy bằng bơm nhiệt kết hợp với bức xạ hồng ngoại năng suất 5 kg/mẻ. Theo đó, các thông số kỹ thuật chính của máy sấy đã được thiết kế: phòng sấy (dài × rộng × cao) = 700 × 740 × 1200 mm; công suất của máy nén Ns = 745W; diện tích trao đổi nhiệt của dàn ngưng tụ trong F = 5,815 m2; diện tích trao đổi nhiệt của dàn bay hơi đạt 3,406 m2; ống mao có đường kính 2 mm với chiều dài 1500 mm; độ ẩm tương đối của không khí sấy φkk = 15 ÷ 17%. Kết quả nghiên cứu thực nghiệm sấy tôm thẻ và lát bơ với thời gian sấy khoảng 2,73 giờ cho chất lượng tốt nhất và năng suất sấy cao nhất. Từ khóa: Sấy bằng bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại, sấy bơ, sấy tôm ABSTRACT The paper presented research results of manufacturing a heat pump dryer combined with infrared radiation with a capacity of 5 kg/batch. Accordingly, the main specifi cations of the dryer had been designed: drying room (length × width × height) = 700 × 740 × 1200 mm; capacity of the compressor Ns = 745W; heat exchange area of the condenser in F = 5.815 m2; the heat exchange area of the evaporator reached 3.406 m2; the diameter of capillary was 2mm and length 1500 mm; the relative humidity of the drying air φkk = 15 ÷ 17%. The results of experimental research on drying white shrimp and dried avocado slices with the drying time of about 2.73 hours had the best quality and the highest productivity were reached. Key words: Drying by heat pump combined with infrared radiation, drying avocado, drying shrimp I. ĐẶT VẤN ĐỀ pháp khá hiệu quả (Park J H, Lee J M [15]). Strommen [6] và Levent Taşeri., 2018 [7] Nghiên cứu của Yun Deng [9, 10], khi sấy mực cho rằng sấy bằng bơm nhiệt (HP) tiêu thụ năng bằng bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại (HP-IR) lượng ít hơn 60% đến 80% so với phương pháp cho thấy rằng sự gia tăng cường độ IR đã góp sấy bằng không khí nóng hoạt động ở cùng phần tăng tốc độ sấy và giảm thời gian sấy. nhiệt độ. Điều này cho thấy sấy bằng HP là Nghiên cứu của Xiaoyong Song [11] và Song một lựa chọn đáng quan tâm về tiết kiệm năng Xiaoyong [12] cho thấy với phương pháp sấy lượng so với phương pháp sấy bằng không khí bằng HP-IR thì tổng năng lượng được sử dụng nóng (Schmidt EL [8]). Bên cạnh đó, Moses cho quy trình sấy giảm khi tăng cường độ IR. [13] và Minea [14] đã cho rằng sấy bằng HP Song Xiaoyong còn nhận xét là máy sấy HP-IR có thể độc lập kiểm soát nhiệt độ sấy và độ làm tăng tốc độ sấy và làm giảm mức độ phản ẩm không khí nhưng thời gian sấy khá dài. Do ứng Maillard và nâng cao chất lượng sản phẩm đó, để rút ngắn thời gian sấy cho phương pháp khô. Như vậy, có thể nói phương pháp sấy bằng sấy bằng HP, cần phải bổ sung thêm nguồn HP-IR có nhiều ưu điểm như giảm thời gian năng lượng khác và sử dụng năng lượng hồng sấy, tăng sự đồng đều về nhiệt độ trong vật liệu ngoại (IR) cho mục đích này là một phương sấy (VLS) và qua đó góp phần tăng chất lượng TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 19
2. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2021 của sản phẩm khô. Đây là cơ sở cho sự xuất thuyết kết hợp với thực nghiệm kiểm chứng. hiện của phương pháp sấy bằng HP-IR được Tính toán quá trình nhiệt, ẩm để xác định được lựa chọn trong nghiên cứu của đề tài. Trong bài các đại lượng đặc trưng cho chu trình nhiệt báo này chúng tôi trình bày kết quả nghiên cứu động làm cơ sở để thiết kế và chế tạo máy sấy. thiết kế chế tạo máy sấy sử dụng công nghệ kết Phần thực nghiệm: Gia công, lắp đặt máy hợp giữa HP và IR để sấy nông sản, thủy sản sấy, thử nghiệm sấy tôm thẻ chân trắng và lát phục vụ nhu cầu tiêu dùng trong nước và xuất bơ. khẩu. 2.2. Thiết bị nghiên cứu II. ĐỐI TƯỢNG VÀ PHƯƠNG PHÁP Máy sấy bằng bơm nhiệt kết hợp bức xạ hồng ngoại được thiết kế chế tạo theo sơ đồ NGHIÊN CỨU nguyên lý trình bày trên hình 2.1. 1. Đối tượng nghiên cứu Thiết bị sấy được thiết kế và chế tạo để Đối tượng nghiên cứu trong đề tài là tủ sấy sấy nông sản, thủy sản với năng suất 5 kg/mẻ. bằng bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại HP-IR để Các thông số sấy có thể vận hành được ở các sấy nông sản và thủy sản với năng suất 5kg/mẻ khoảng như sau: Nhiệt độ sấy (t) từ (20 ÷ 70) 2. Phương pháp và thiết bị nghiên cứu ºC, vận tốc gió (V) từ (0,5 ÷ 5) m/s, công suất 2.1. Phương pháp nghiên cứu hồng ngoại (IP) từ (200 ÷ 2000) W và khoảng Phương pháp nghiên cứu là tính toán lý cách từ đèn IR đến VLS (H) từ (20 ÷ 40) cm. Hình 2.1. Sơ đồ nguyên lý của máy sấy bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại IR-HP. 20 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
3. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2021 Thiết bị sử dụng chu trình bơm nhiệt máy nén dung ẩm d (kg/kgkkk) và entanpi I (kJ/kgkkk) với môi chất lạnh là R22. Dàn bay hơi của thiết tại các điểm nút của chu trình (Bảng 3.1). bị với nhiệm vụ làm lạnh tách ẩm từ tác nhân 1.2. Xác định lượng nhiệt mà dàn ngưng tụ sấy (TNS) trong buồng sấy, được chọn là loại cần cung cấp cho buồng sấy ống đồng có cánh nhôm. Nhiệt tỏa ra ở dàn Độ ẩm của nguyên liệu tôm thẻ sau khi luộc ngưng tụ của thiết bị được tận dụng để gia nhiệt được xác định W1 = 70%, theo yêu cầu công làm nóng TNS trước khi vào buồng sấy. Quạt nghệ, độ ẩm sản phẩm khô đạt W2 = 20% [1], trong buồng sấy được lựa chọn là quạt lồng sóc [5]. Xác định các đại lượng đặc trưng cho quá có cột áp thích hợp để thực hiện quá trình sấy trình sấy như sau [3]: đối lưu, bộ phận tiết lưu được lựa chọn là loại Lượng ẩm bốc hơi trong một mẻ sấy: ống mao đơn giản. III. KẾT QUẢ TÍNH NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN Khối lượng sản phẩm sau khi sấy: 1. Kết quả tính toán nhiệt, chọn máy và thiết G2 = G1 - W = 7 – 4,375 = 2,625 kg/mẻ bị cho hệ thống sấy Thời gian sấy đã xác định là τ = 3 h [1] Lượng ẩm bay hơi trong 1 giờ [3]: Lượng không khí khô cần thiết để làm bay hơi 1 kg ẩm [3]: Lượng không khí khô thực tế Nhiệt cần thiết để gia nhiệt cho không khí theo lý thuyết [3]: Qk = L(I2 - I1) = 112,153(64 – 38) = 19813,415 kJ/h = 2,916 kW Hình 3.1. Biểu diễn quá trình sấy trên đồ thị I-d. Tuy nhiên trên thực tế lượng nhiệt cần cung 1.1. Quá trình sấy thực trên đồ thị I - d cấp cho buồng sấy cao hơn vì cần bổ sung vào Bảng 3.1. Thông số trạng thái của không khí ẩm các thành phần tổn thất nhiệt khác như nhiệt tại các điểm nút của chu trình trên đồ thị I – d. để nâng giá đỡ nguyên liệu sấy đến nhiệt độ t φ d I phòng sấy Qs1, nhiệt để làm nóng nguyên liệu Điểm oC % kg/kgkkk kJ/kgkkk sấy Qs2, nhiệt tổn thất ra môi trường Qs3. Nhiệt tổn thất của thiết bị sấy: 1 15 90 0,008 38 QS = Qs1 + Qs2 + Qs3 = 137,853 W 2 40 15 0,008 64 Năng suất nhiệt của dàn ngưng tụ cần cung 3 60 17 0,021 115 cấp cho buồng sấy: Trong đó: Trạng thái của TNS sau dàn bay Qk = QkT = 2916 + 137,853 = 3053,853 W có độ ẩm φ1 = 90% [2, 3], nhiệt độ bề mặt của 3,053 kW dàn bay hơi: tdl = t0 + ∆t = 0 + 10 = 10oC (chọn Đây cũng là năng suất nhiệt mà dàn ngưng tụ ≅ ∆t = 7 ÷ 10ºC) [2]; nhiệt độ của TNS sau khi trong của bơm nhiệt cần cung cấp cho buồng sấy. ra khỏi dàn ngưng tụ t2 = 40ºC [4]; nhiệt độ và Nhiệt tỏa ra do đèn bức xạ hồng ngoại: độ ẩm của TNS trong buồng sấy t3 = 60ºC, φ3= Nhiệt do vật liệu sấy hấp thu trong quá trình 17% [1]. Theo đó, tra đồ thì I-d (Hình 3.1), kết sấy cũng chính là lượng nhiệt mà đèn hồng quả đã thu được các thông số trạng thái như ngoại cần cung cấp bổ sung cho buồng sấy [3]: TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 21
4. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2021 Tổng năng suất nhiệt mà dàn ngưng tụ và đèn Qt = Qk + QHN = 3,053 + 2,316 = 5,369 kW bức xạ hồng ngoại cần phải cung cấp cho buồng 1.3. Tính toán chu trình bơm nhiệt và chọn sấy khi sấy thực phẩm bằng phương pháp IR-HP: máy nén a) b) Hình 3.2a. Sơ đồ nguyên lý làm việc của chu trình Máy lạnh-Bơm nhiệt, Hình 3.2b. Biểu biễn quá trình làm việc của chu trình Máy lạnh –Bơm nhiệt trên đồ thị lgp-i. Kết quả tra các thông số trạng thái tại các lgp-i (Hình 3.2a và 3.2b) được trình bày trong điểm nút của chu trình nhiệt động trên đồ thị Bảng 3.2. Bảng 3.2. Kết quả xác định thông số trạng thái của môi chất tại các điểm nút trên đồ thị lgp-i. Điểm t,oC P, bar i, kJ/kg 1 0 4,983 706 1 10 4,983 710 2 80 18,395 750 3 50 18,395 564 4 0 4,983 564 Kết quả tính toán nhiệt đã thu được các trình bày trong Bảng 3.3 như sau. thông số làm việc của chu trình bơm nhiệt được Bảng 3.3. Kết quả tính toán các thông số làm việc của bơm nhiệt trong tủ sấy. STT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị 1 Năng suất nhiệt dàn ngưng Qk 3,053 kW 2 Lưu lượng môi chất m 0,0164 kg/s 3 Năng suất dàn bay hơi Qo 2,189 kW 4 Công suất nén đoạn nhiệt Ns 0,656 kW 5 Công suất tiêu thụ điện Nel 0,863 kW 6 Hệ số bơm nhiệt φ 4,65 - 1.4. Kết quả tính toán và chọn các thiết bị cho trình bơm nhiệt: Máy nén, thiết bị trao đổi bơm nhiệt nhiệt và thiết bị tiết lưu đã được chúng tôi tính Các thông số kỹ thuật của tủ sấy bao gồm toán thiết kế và lựa chọn, chi tiết được trình kích thước của tủ; các thiết bị chính trong chu bày trong Bảng 3.4 và lắp đặt trên Hình 3.3. 22 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
5. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2021 Bảng 3.4. Kết quả xác định các thông số kỹ thuật của một số thiết bị chính trong máy sấy. Tên thiết bị Số lượng Thông số kỹ thuật Công suất: 745W (1HP); Hãng: LG; Model: QK175PAG; môi chất Máy nén 02 lạnh: R22; Xuất xứ: Trung Quốc. Dàn ngưng tụ ống đồng, cánh nhôm thông số như sau: - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt: F = 5,815 m2 Dàn ngưng tụ 02 - Kích thước dàn (cao x rộng x dày): 550 x 650 x 275 mm - Đường kính/chiều dày ống: 9,52/0,8 mm, bước cánh 2,12mm. Dàn bay hơi ống đồng, cánh nhôm: - Diện tích bề mặt trao đổi nhiệt của dàn bay hơi: F = 3,406 m2 Dàn bay hơi 01 - Kích thước dàn (cao x rộng x dày): 300 x 600 x 20 mm - Đường kính/chiều dày ống: 6,35/0,6 mm, bước cánh: 2,54mm. Ống mao 01 Ống đồng đường kính 2 mm, chiều dài: 1500 mm. Quạt lồng sóc hãng FASCO model 7455GVA-A12S, công suất 45W, Quạt phòng 01 lưu lượng không khí: 100,710 m3/h, điện nguồn: 220-240V 0,5A, xuất sấy xứ: Thái Lan. Đèn hồng 08 Dạng cầu -Parabon, 250W, đường kính/chiều dài:125/195mm ngoại Kính thước 01 Dài x rộng x cao = 700 x 740x 1200 mm. máy sấy Hình 3.3. Hình ảnh máy sấy bằng HP-IR đã được chế tạo. 2. Kết quả sấy thử nghiệm nông sản và thủy sản hồi trở lại của tôm sấy bằng HP-IR cao nhất đạt 2.1. Biến đổ i của điểm chất lượng cảm quan 90,17% cao hơn phương pháp sấy HP 8,25% và (CLCQ), tỷ lệ hút nước phục hồi (HNPH) của hơn sấy phương pháp sấy IR 14,26%. Do là sản tôm khô theo các phương phá p sấy phẩm sấy ở chế độ sấy tôi ưu có quá trình khuếch Kết quả đánh giá điểm CLCQ của tôm theo tán nội phù hợp khuếch tán ngoại nên bề mặt sản các phương pháp sấy được thể hiện ở Bảng 3.5 phẩm không bị quá nhiệt, không làm biến đổi cấu và Hình 3.4 cho thấy điểm CLCQ của tôm sấy trúc của sản phẩm sấy, tốc độ sấy cao và thời gian ở chế độ sấy tối ưu đạt loại tốt (18,70 điểm) cao sấy ngắn. Do đó, khả năng hút nước phục hồi trở hơn tôm sấy bằng 0,54 điểm và hơn tôm sấy bằng lại của sản phẩm khô rất tốt, giữ được màu và mùi IR 1,52 điểm. Bên cạnh đó, tỷ lệ hút nước phục thơm đặc trưng của tôm thẻ. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 23
6. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2021 Bảng 3.5. Điểm CLCQ, tỷ lệ HNPH của tôm thẻ theo các phương phá p sấy. STT Phương pháp sấy Thời gian sấy, h Điểm CLCQ Tỷ lệ HNPH, % Sấy bằng bơm nhiệt kết hợp 1 2,73 18,70 90,17 hồng ngoại HP-IR 2 Sấy bằng bơm nhiệt HP 4,50 18,16 81,92 3 Sấy bằng hồng ngoại IR 3,33 17,18 75,91 Tôm sấy bằng IR Mẫu tôm sấy bằng IR-HP Tôm sấy bằng HP Hình 3.4. Hình ảnh của tôm thẻ khô theo các phương pháp sấy. 2.2. Thử nghiệm sấy bơ bằng phương pháp sấy IR-HP và HP Mẫu bơ sấy bằng IR-HP Mẫu bơ sấy bằng HP Hình 3.5. Hình ảnh mẫu Bơ sấy bằng IR-HP và HP. Kết quả nghiên cứu sấy thử nghiệm trên nhiệt độ sấy t = 59,5ºC, vận tốc tác nhân sấy V hình 3.5 cho thấy ở cùng chế độ sấy, lát bơ sấy = 1,98 m/s, khoảng cách chiếu xạ hồng ngoại H bằng IR-HP có màu sắc đặc trưng tự nhiên hơn = 35,2 cm, công suất hồng ngoại IP = 1750 cm so với lát bơ sấy bằng bơm nhiệt HP. Đây là thử với thời gian sấy là 2,73 giờ và độ ẩm của sản nghiệm ban đầu để hướng tới nghiên cứu quá phẩm khô đạt w2 = 19 ÷ 21%. trình truyền nhiệt, truyền chất trong lát bơ sấy - Kết quả nghiên cứu còn cho thấy lát bơ sấy bằng HP-IR từ đó sản xuất bột bơ xuất khẩu. bằng HP-IR ở chế độ sấy trên cho chất lượng IV. KẾT LUẬN VÀ KHUYẾN NGHỊ cảm quan tốt màu sắc tự nhiên hơn so với bơ 1. Kết luận sấy bằng HP. - Thiết bị sấy bằng HP-IR đã được chế 2. Khuyến nghị tạo với năng suất 5kg/mẻ có thể tự động điều Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, truyền chỉnh các thông số như nhiệt độ sấy theo yêu chất cho nhiều đối tượng nông sản và thủy sản cầu công nghệ từ 20 ÷ 7ºC; vận tốc gió trong khi sấy bằng phương pháp bơm nhiệt kết hợp buồng sấy từ 0,5 ÷ 5 m/s; khoảng cách từ đèn hồng ngoại. hồng ngoại tới vật liệu sấy từ 20 ÷ 40 cm; công Nghiên cứu chế tạo thiết bị sấy bằng HP-IR suất hồng ngoại IP từ 200 ÷ 2000W. dạng băng tải để tăng năng suất sấy. - Tôm thẻ chân trắng sấy bằng HP-IR cho Nghiên cứu ảnh hưởng của bước sóng hồng tốc độ sấy nhanh nhất và chất lượng của sản ngoại đến khả năng diệt vi khuẩn và chất lượng phẩm tốt nhất ứng với chế độ sấy thích hợp: của vật liệu khô. 24 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG
7. Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 1/2021 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt 1. Lê Như Chính (2020), “Nghiên cứu quá trình truyền nhiệt, truyền chất và xác định chế độ sấy tôm thẻ chân trắng Việt Nam bằng bơm nhiệt kết hợp hồng ngoại”. Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật nhiệt, Trường ĐH Bách Khoa Hà Nội. 2. Nguyễn Đức Lợi (2008) - Giáo trình Kỹ thuật lạnh, NXB Bách Khoa Hà Nội. 3. Trần Văn Phú (2009) - Kỹ thuật sấy, NXB Giáo dục 4. Trần Đại Tiến (2007), “Nghiên cứu phương pháp sấy và bảo quản mực ống lột da”, Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật, Trường ĐH Nha Trang. 5. Nguyễn Trọng Cẫn, Đỗ minh Phụng (2006), “Công nghệ chế biến thực phẩm thủy sản” tập 1, 2, NXB nông nghiệp, TP. Hồ Chí Minh. Tiếng Anh 6. Strommen I, Eikevik TM, Alves-Filho O, Syverud K, Jonassen O (2002), “Low temperature drying with heat pumps new generations of high quality dried products”. In: 13th International drying symposium. 7. Levent Taşeri, Mustafa Aktaş, Seyfi Şevik, Mehmet Gülcü, Gamze Uysal Seçkin1, Burak Aktekeli (2018), “Determination of Drying Kinetics and Quality Parameters of Grape Pomace Dried with a Heat Pump Dryer”, Food Chemistry, Vol. , pp. 01 -28. 8. Schmidt EL, Klocker K, Flacke N, Steimle F (1998), “Applying the transcritical CO2 process to a drying heat pump”. Int J Refrig, Vol. 21(3), pp. 202–11. 9. Yun Deng, Bingjun Qian, Juan Wu, Shuqiang Su and Xiaoxia Feng (2011) “Characteristics of Squid (Illex illecebrosus LeSueur) Fillets Dried Using a Combination of Heat Pump Drying and Far Infrared Radiation”, Philippine Agricultural Scientist, Vol. 94, pp 270 – 277. 10. Yun Deng, Yuegang Wang, Jin Yue, Zhenmin Liu, Yuanrong Zheng, Bingjun Qian,Yu Zhong, Yanyun Zhao, (2014), “Thermal behavior, microstructure and protein quality of squid fi llets dried by far-infrared assisted heat pump drying”, Food Control, Vol.36, pp. 102 – 110. 11. Xiaoyong Song và cộng sự (2013). “Banana Chip Drying Using Far Infrared-Assisted Heat Pump”. The Philippine Agricultural Scientist, Vol. 96, pp. 275 – 281. 12. Song Xiaoyong, Hu Hao, Zhang Baoling (2016), “Drying characteristics of Chinese Yam (Dioscorea opposita Thunb.) by far-infrared radiation and heat pump”, Journal of the Saudi Society of Agricultural Sciences, accepted 29 May. 13. Moses, J.A., Norton, T., Alagusundaram, K., Tiwari, B.K (2014), “Novel drying techniques for the food industry”. Food Eng, Vol. 6, pp. 43-55. 14. Minea, V., (2013), “Drying heat pumps – Part II: Agro-food, biological and wood products”, International Journal of Refrigeration, Vol. 36, pp.659–673. 15. Park J H, Lee J M, Cho Y J, et al (2009), “Eff ect of far-infrared heater on the physicochemical characteristics of green tea during processing”, Journal of Food Biochemistry, Vol. 33, pp. 149-162. TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 25