Ứng dụng kỹ thuật sấy lạnh với sự hỗ trợ của bơm nhiệt và năng lượng mặt trời trong quá trình sấy nông sản

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------------

NGUYỄN QUANG HƯNG

ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SẤY LẠNH VỚI SỰ HỖ TRỢ
CỦA BƠM NHIỆT VÀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
TRONG QUÁ TRÌNH SẤY NƠNG SẢN.
Chun ngành: Cơng nghệ thực phẩm
Mã số: 60540101

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2015


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến Sĩ Lại Quốc Đạt
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 24 tháng 07 năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. GS. TS. Đống Thị Anh Đào (Chủ tịch)
2. TS. Phan Thế Đồng (Phản biện 1)
3. PGS. TS. Lê Thị Kim Phụng (Phản biện 2)
4. TS. Trần Tấn Việt (Ủy viên)
5. TS. Tôn Nữ Minh Nguyệt (Ủy viên, thư ký)

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN QUANG HƯNG

MSHV: 13110561

Ngày, tháng, năm sinh: 08/11/1990

Nơi sinh: TT-HUẾ

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ THỰC PHẨM

Mã số: 60540101

I. TÊN ĐỀ TÀI:
ỨNG DỤNG KỸ THUẬT SẤY LẠNH VỚI SỰ HỖ TRỢ CỦA BƠM NHIỆT VÀ NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG QUÁ TRÌNH SẤY NÔNG SẢN
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Thiết kế và chế tạo hệ thống máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt và năng lượng mặt trời. Thực

nghiệm sấy lạnh và mơ hình hóa q trình sấy lạnh củ dền. Thực nghiệm sấy lạnh và và
mơ hình hóa q trình sấy lạnh mực. Thực nghiệm sấy lạnh và và mơ hình hóa q trình
sấy lạnh dâu tây. Đánh giá hiệu quả năng lượng và kinh tế của hệ thống sấy lạnh khi áp
dụng sấy các nông sản, thực phẩm: mực, dâu tây, củ dền.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 07/07/2014
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/05/2015
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Tiến Sĩ Lại Quốc Đạt

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN

  
Đầu tiên, tôi xin chân thành cảm ơn Thầy Lại Quốc Đạt đã tận tình chỉ bảo, giúp đỡ
và tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong suốt thời gian học tập cũng như thực hiện nghiên
cứu này. Đồng thời, tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến tập thể quý thầy cô bộ
môn Cơng nghệ Thực phẩm trường, khoa Kỹ thuật Hóa học, trường Đại học Bách Khoa
TP.HCM đã tận tâm giảng dạy và giúp đỡ trong suốt thời gian tôi theo học tại trường và
cung cấp kiến thức nền tảng giúp tôi hồn thành nghiên cứu.

Thứ hai, tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn sâu sắc đến tập thể công ty TNHH Công
Nghệ Môi Trường Bắc Nam đã hỗ trợ tôi trong quá trình chế tạo, lắp đặt và vận hành
thiết bị phục vụ nghiên cứu.
Thứ ba, tôi xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của anh Nguyễn Vũ Thùy trong công
tác nghiên cứu, thiết kế, thu thập dữ liệu và tiến hành thí nghiệm. Tơi cũng xin chân
thành cảm ơn tập thể các bạn sinh viên là thực nghiệm viên đã hỗ trợ tơi hết lịng trong
q trình thực hiện nghiên cứu.
Sau cùng là lời cảm ơn tôi xin gửi đến gia đình, người thân và bạn bè của tôi đã luôn
động viên giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn thạc sĩ.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm …
Học viên thực hiện

Nguyễn Quang Hưng


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong phạm vi luận văn này, kỹ thuật sấy lạnh được tiến hành nghiên cứu để ứng
dụng vào q trình sấy nơng sản thực phẩm nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm và cắt
giảm chi phí năng lượng. Nội dung chính của luận văn bao gồm tính toán, thiết kế và chế
tạo hệ thống thiết bị sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt với sự hỗ trợ của năng lượng mặt trời
để phục vụ mục đích nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật sấy lạnh vào quá trình sấy nông sản.
Kết quả thu được từ nghiên cứu cho thấy, hệ thống thiết bị sấy lạnh hoạt động hiệu quả
và ổn định ở điều kiện khí hậu Việt Nam. Cho ra sản phẩm với mức độ tỏn thất chất dinh
dưỡng thấp, hàm lượng chất màu betacyanin tổn thất dưới 22%. Mơ hình tốn học mơ tả
đặc điểm đường cong sấy của nguyên liệu củ dền, mực và dâu tây trong quá trình sấy
lạnh cũng được xây dựng, cho phép dự đốn và tối ưu hóa q trình sấy loại ngun liệu
này. Chi phí năng lượng riêng của hệ thống thiết bị sấy lạnh đạt 1,81 kWh/kg ẩm.

ABSTRACT

In this research, heat pump convection drying technology was applied for drying
agro-products, aims to improve product quality and reduce specific energy costs. A heat
pump convection drying system with solar assisted were designed and manufactured.
This drying system was used for performing experiments in drying beetroot, squid
mantle and strawberries. From the experimental results, the mathematical model, that
describes characteristic of beetroot, squid mantle and strawberries drying curver at low
temperature were constructed. This model allowed to predict and optimization beetroot
drying process. The experimental results also show that the drying system working
stability and efficiency in climate condition of Vietnam. The specific energy costs of this
system reached 1,81 kWh/kg water. The quality of drying product was conserved with
low betacyanin loss rate (lower 22%).


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá nhân tơi,
được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của Tiến sĩ Lại Quốc Đạt.
Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này trung
thực và chưa từng được cơng bố dưới bất cứ hình thức nào.
Tơi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm …
Học viên

Nguyễn Quang Hưng


MỤC LỤC
DANH MỤC HÌNH .......................................................................................................vi
DANH MỤC BẢNG .....................................................................................................vii
DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT ........................................................... viii

MỞ ĐẦU…………………………………………………………………...…………..1
TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU .................................................... 2
1.1. Tình hình sản xuất và chế biến rau quả trong nước ............................................... 2
1.2. Tình hình sử dụng bơm nhiệt trong công nghệ sấy ............................................... 2
1.3. Tổng quan về quá trình sấy.................................................................................... 3
1.3.1. Khái niệm về quá trình sấy .............................................................................. 3
1.3.2. Đặc điểm quá trình sấy .................................................................................... 4
1.3.3. Sự khuếch tán của nước trong nguyên liệu ..................................................... 5
1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ sấy .............................................................. 9
1.3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ khơng khí ........................................................... 9
1.3.4.2. Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động của không khí.................................. 9
1.3.4.3. Ảnh hưởng của độ ẩm tương đối của khơng khí ..................................... 10
1.3.4.4. Ảnh hưởng của kích thước ngun liệu .................................................. 10
1.3.4.5. Ảnh hưởng của quá trình ủ ẩm................................................................ 11
1.3.4.6. Ảnh hưởng của bản chất nguyên liệu...................................................... 11
1.4. Giới thiệu phương pháp sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt .......................................... 11
1.4.1. Khái niệm về bơm nhiệt ................................................................................ 11
1.4.2. Nguyên lý làm việc của hệ thống sấy lạnh .................................................... 12
1.4.3. Phân loại hệ thống sấy lạnh ........................................................................... 13

i


1.4.3.1. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ nhỏ hơn 00C ............................................. 13
1.4.3.2. Hệ thống sấy lạnh ở nhiệt độ lớn hơn 00C .............................................. 15
1.4.4. Các thiết bị trong hệ thống sấy lạnh .............................................................. 16
1.4.4.1. Môi chất lạnh .......................................................................................... 16
1.4.4.2. Máy nén lạnh........................................................................................... 18
1.4.4.3. Các thiết bị trao đổi nhiệt ........................................................................ 18
1.4.4.4. Thiết bị phụ của bơm nhiệt ..................................................................... 19

1.4.4.5. Thiết bị ngoại vi của bơm nhiệt .............................................................. 19
1.5. Tổng quan về nguyên liệu sấy ............................................................................. 20
1.5.1. Giới thiệu về củ dền ...................................................................................... 20
1.5.2. Phân loại khoa học ........................................................................................ 20
1.5.3. Đặc điểm........................................................................................................ 20
1.5.4. Thành phần hoá học ...................................................................................... 21
1.5.5. Betalain và betacyanin................................................................................... 22
1.5.5.1. Betalain ................................................................................................... 22
1.5.5.2. Betacyanin ............................................................................................... 24
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .................................................... 27
2.1. Thiết kế thiết bị sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt và năng lượng mặt trời ................. 27
2.1.1. u cầu thiết kế ............................................................................................. 27
2.1.2. Tính tốn thiết kế buồng sấy ......................................................................... 27
2.1.3. Chọn chế độ sấy ............................................................................................ 29
2.1.4. Tính tốn q trình sấy lý thuyết ................................................................... 29
2.1.4.1. Trạng thái tác nhân sấy ........................................................................... 29

ii


2.1.4.2. Trạng thái khơng khí thải ra khỏi buồng sấy .......................................... 30
2.1.4.3. Trạng thái khơng khí sau khi đi qua thiết bị làm lạnh tách ẩm ............... 31
2.1.4.4. Lượng không khí khơ tiêu hao cho hệ thống sấy lý thuyết ..................... 31
2.1.4.5. Nhiệt lượng tiêu hao cho hệ thống sấy lý thuyết .................................... 32
2.1.5. Tính tốn q trình sấy thực .......................................................................... 32
2.1.5.1. Cân bằng nhiệt lượng của hệ thống sấy thực .......................................... 32
2.1.5.2. Tính tổn thất nhiệt qua kết câu bao che .................................................. 34
2.1.5.3. Tính tốn q trình sấy thực ................................................................... 36
2.1.5.4. Lượng khơng khí khơ tiêu hao cho hệ thống sấy thực ............................ 37
2.1.5.5. Nhiệt lượng tiêu hao cho hệ thống sấy thực tế ....................................... 37

2.1.6. Tính chọn thiết bị làm lạnh và gia nhiệt khơng khí ....................................... 37
2.1.6.1. Năng suất lạnh cần thiết .......................................................................... 37
2.1.6.2. Tính chọn thiết bị làm lạnh khơng khí .................................................... 38
2.1.6.3. Tính chọn thiết bị gia nhiệt khơng khí .................................................... 38
2.1.6.4. Tính chọn quạt ........................................................................................ 39
2.1.6.5. Tính chọn bơm cho thiết bị gia nhiệt ...................................................... 39
2.1.7. Chọn máy nén và hệ thống lạnh .................................................................... 40
2.1.7.1. Máy nén................................................................................................... 40
2.1.7.2. Dàn bay hơi ............................................................................................. 40
2.1.7.3. Dàn ngưng tụ ........................................................................................... 41
2.1.8. Tính chọn hệ thống nước nóng năng lượng mặt trời ..................................... 41
2.2. Thực nghiệm sấy lạnh củ dền, mực và dâu tây.................................................... 41
2.2.1. Chuẩn bị nguyên liệu ..................................................................................... 41

iii


2.2.2. Phương pháp sấy nguyên liệu........................................................................ 42
2.2.3. Phương pháp xây dựng đường cong sấy ....................................................... 42
2.2.3.1. Xác định hàm ẩm tuyệt đối của nguyên liệu ........................................... 42
2.2.3.2. Xác định tỷ lệ hàm ẩm của nguyên liệu .................................................. 43
2.2.3.3. Tốc độ sấy ............................................................................................... 43
2.2.3.4. Mơ hình hóa và đánh giá mơ hình đường cong sấy ................................ 43
2.2.4. Phương pháp phân tích .................................................................................. 44
2.2.4.1. Độ ẩm ...................................................................................................... 44
2.2.4.2. Hàm lượng chất màu ............................................................................... 44
KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN .............................................................. 47
3.1. Hệ thống máy sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt và năng lượng mặt trời .................... 47
3.2. Đường cong sấy của củ dền ................................................................................. 50
3.2.1. Đặc điểm đường cong sấy của củ dền ........................................................... 50

3.2.2. Ảnh hưởng của quá trình sấy lạnh đến hàm lượng betacyanin ..................... 53
3.2.3. Đánh giá các mơ hình tốn học biểu diễn q trình sấy lạnh củ dền ............ 56
3.3. Thực nghiệm sấy lạnh mực .................................................................................. 58
3.3.1. Đặc điểm đường cong sấy của mực .............................................................. 58
3.3.2. Đánh giá các mơ hình tốn học biểu diễn đường cong sấy lạnh mực ........... 60
3.4. Thực nghiệm sấy lạnh dâu tây ............................................................................. 62
3.4.2. Đánh giá các mơ hình tốn học biểu diễn đường cong sấy lạnh dâu tây ...... 63
3.5. Đánh giá hiệu quả năng lượng và kinh tế của hệ thống sấy lạnh ........................ 64
3.5.1. Đánh giá hiệu quả năng lượng và kinh tế của quá trình sấy củ dền .............. 64
3.5.2. Đánh giá hiệu quả năng lượng và kinh tế của quá trình sấy mực ................. 65

iv


3.5.3. Đánh giá hiệu quả năng lượng và kinh tế của quá trình sấy dâu tây ............. 66
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................... 68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 69
PHỤ LỤC 1. Số liệu thí nghiệm sấy củ dền ............................................................... 73
PHỤ LỤC 2. Kết quả thí nghiệm đo hàm lượng betacyanin ................................... 75
PHỤ LỤC 3. Số liệu sấy mực ...................................................................................... 77

v


DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Sơ đồ ngun lý hệ thống bơm nhiệt ........................................................................ 12
Hình 1.2: Sơ đổ hệ thống sấy lạnh ........................................................................................... 13
Hình 1.3: Cấu trúc hóa học của anthocyanins, betacyanins và betaxanthins ......................... 23
Hình 1.4: Betanidin và isobetanidin được phân biệt bởi C-15 ............................................... 25
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy lạnh .................................................................... 48

Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống năng lượng của máy sấy lạnh ......................................... 49
Hình 3.3: Cấu tạo buồng sấy ................................................................................................... 50
Hình 3.4: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi hàm ẩm tuyệt đối của củ dền theo thời gian sấy ........ 51
Hình 3.5: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi độ ẩm tương đối của tác nhân sấy theo thời gian sấy 52
Hình 3.6: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi nhiệt độ tác nhân sấy theo thời gian .......................... 52
Hình 3.7: Tỷ lệ hàm lượng betacyanin tổn thất theo thời gian sấy. ......................................... 54
Hình 3.8: Nguyên liệu củ dền sau quá trình sấy lạnh. ............................................................. 55
Hình 3.9: Sự thay đổi tỷ lệ hàm ẩm theo thời gian sấy của mô hình Page và Page II ............ 57
Hình 3.10: Sự thay đổi tỷ lệ hàm ẩm theo thời gian sấy của mơ hình Modified Page II ......... 58
Hình 3.11: Đường cong sấy lạnh mực ..................................................................................... 59
Hình 3.12: Mơ hình tốn học dạng Two-Term biểu diễn đường cong sấy lạnh mực .............. 61
Hình 3.13: Mơ hình tốn học dạng Logarithmic biểu diễn đường cong sấy lạnh mực ........... 61
Hình 3.14: Đường cong sấy lạnh dâu tây nguyên trái ............................................................. 62

vi


DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Thành phần hóa học của củ dền ................................................................... 21
Bảng 2.1: Các dạng mơ hình của q trình sấy ............................................................ 44
Bảng 3.1: Danh mục các thiết bị của hệ thống sấy lạnh ............................................... 47
Bảng 3.2: Sự thay đổi hàm lượng betacyanin trong củ dền theo thời gian sấy ............ 53
Bảng 3.3: Kết quả phân tích thống kê các dạng mơ hình của đường cong sấy củ dền . 56
Bảng 3.4: Kết quả thực nghiệm quá trình sấy lạnh mực ............................................... 59
Bảng 3.5: Kết quả đánh giá các mơ hình tốn học biểu diễn đường cong sấy mực ..... 60
Bảng 3.6: Điện năng tiêu thụ của các thiết bị trong quá trình sấy củ dền .................... 64
Bảng 3.7: Điện năng tiêu thụ của các thiết bị trong quá trình sấy mực ....................... 65
Bảng 3.8: Điện năng tiêu thụ của các thiết bị trong quá trình sấy dâu tây .................. 66

vii

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
STT

Ý NGHĨA

KÝ HIỆU

1

t

Nhiệt độ

2

P

Áp suất

3

E1cm

Hệ số hấp thụ khối

4

ω

Độ ẩm tương đối của vật liệu sấy

5

G

Khối lượng vật liệu sấy

6

τ

Thời gian sấy

7

W

Khối lượng hơi ẩm

9

Dk

Chiều dài của vật liệu sấy

10

Rk

Chiều rộng của vật liệu sấy

11

Hk

Chiều cao của vật liệu sấy

12

ρnl

Khối lượng riêng của vật liệu sấy

13

Vnl

Thể tích của vật liệu sấy

14

Nnl

Số lát hoặc miếng vật liệu sấy

15

Snl

Diện tích chiếm chỗ của vật liệu sấy

16

Sk

Diện tích khay sấy

17

Nk

Số lượng khay sấy

18

φ

Độ ẩm tác nhân sấy

19

pb

Phân áp suất hơi nước bão hịa

20

x

Lượng chứa ấm

21

I

Enthanpy

22

Llt

Lượng khơng khí khơ tiêu hao chung

23

llt

Lượng khơng khí khơ tiêu hao để bay hơi 1 kg ẩm

24

Vlt

Lưu lượng thể tích trung bình của tác nhân sấy

25

ν

Thể tích riêng của khơng khí khô

viii


STT

Ý NGHĨA

KÝ HIỆU

26

Qlt

Nhiệt lượng tiêu hao cho hệ thống sấy lý thuyết

27

Cvl

Nhiệt dung riêng của vật liệu sấy

28

mk

Khối lượng khay sấy

29

Ck

Nhiệt dung riêng của vật liệu làm khay sấy

30

tk

Nhiệt độ khay sấy

31

Ca

Nhiệt dung riêng của nước

32

tvl

Nhiệt độ của vật liệu sấy

33

F

Diện tích xung quanh

34

tf

Nhiệt độ của tác nhân sấy

35

tw

Nhiệt độ tường buồng sấy

36

λ

Hệ số dẫn nhiệt

37

δ

Chiều dày vật liệu

38

g

Gia tốc trọng trường

39

Nu

Chuẩn số Nusselt

40

Gr

Chuẩn số Grashof

41

Pr

Chuẩn số Prandl

42

μ

Độ nhớt động lực

43

α

Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu

44

Δ

Tổn thất nhiệt

45

Qtt

Nhiệt lượng tiêu hao thực tế

46

Ltt

Lượng khơng khí khơ tiêu hao chung thực tế

47

Ltt

Lượng khơng khí khơ tiêu hao để bay hơi 1 kg ẩm thực tế

48

Δtlog

Chênh lệch nhiệt độ logarit

49

ΔP

Trở lực

50

Qln

Công suất lạnh

51

Qnn

Công suất nhiệt

ix


STT

Ý NGHĨA

KÝ HIỆU

52

Xt

Hàm ẩm tuyệt đối của mẫu ở thời gian sấy t

53

X0

Hàm ẩm tuyệt đối của mẫu ở thời gian sấy t = 0

54

Xe

Hàm ẩm tuyệt đối của mẫu khi kết thúc quá trình sấy

55

DR

Tốc độ sấy

56

ma

Hàm lượng ẩm của vật liệu sấy

57

mck

Hàm lượng chất khô của vật liệu sấy

58

MR

Tỷ lệ hàm ẩm của vật liệu sấy

59

ME

Sai số trung bình

60

MAE

Sai số tuyệt đối trung bình

61

MSE

Sai số bình phương trung bình

62

ei

Sai số của mơ hình

63

SEC

Năng lượng tiêu hao để bốc hơi 1 kg ẩm

64

Co

Chi phí năng lượng trung bình để bay hơi 1 kg ẩm

x


MỞ ĐẦU
Kỹ thuật sấy lạnh có ưu điểm là có thể sấy nông sản, thực phẩm mà vẫn giữ được
nguyên màu sắc, mùi vị, thành phần dinh dưỡng thất thoát khơng đáng kể. Việt Nam là
một nước có khí hậu nóng ẩm, vì thế kỹ thuật sấy lạnh là cơng nghệ đặc biệt phù hợp với
các loại nông sản, thực phẩm, đảm bảo được chất lượng cũng như hàm lượng dinh dưỡng,
màu sắc, mùi vị cho sản phẩm. Thế mạnh của kỹ thuật sấy lạnh là quá trình sấy được
thực hiện ở nhiệt độ thấp, phù hợp với các sản phẩm có tính nhạy cảm với nhiệt độ.
Sự hỗ trợ của hệ thống bơm nhiệt và năng lượng mặt trời sẽ làm giảm chi phí
năng lượng của hệ thống, tận dụng được nguồn năng lượng sạch là năng lượng mặt trời.
Củ dền là một sản phẩm có giá trị dinh dưỡng cũng như cảm quan rất cao. Vì hàm
lượng betalain, đặc biệt là betacyanin ở trong củ dền rất lớn nên loại nông sản này khá
nhạy cảm với các quá trình sấy sử dụng nhiệt độ cao. Do đó, củ dên là đối tượng phù

hợp để đánh giá quá trình sấy của hệ thống sấy lạnh. Đồng thời, dâu tây và mực cũng
được tiến hành sấy thực nghiệm để đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống.
Trong phạm vi đề tài này, kỹ thuật sấy lạnh với sự hỗ trợ của bơm nhiệt sẽ được
áp dụng để sấy củ dền, dâu tây và mực. Thiết bị sấy sẽ được tính tốn thiết kế và chế tạo.
Q trình sấy củ dền sẽ được đánh giá để thu thập dữ liệu về đường cong sấy, động học
quá trình sấy, chất lượng của sản phẩm sau sấy và đánh giá hệ thống sấy về mặt năng
lượng. Toàn bộ hệ thống sấy và q trình sấy sẽ được mơ hình hóa để cung cấp cơng cụ
dự đốn chính xác khi áp dụng mơ hình hệ thống sấy này vào quy mơ cơng nghiệp.

1


TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU
1.1. Tình hình sản xuất và chế biến rau quả trong nước
Theo báo cáo của bộ Cơng Thương về tình hình sản xuất 6 tháng đầu năm 2015,
cả nước hiện có khoảng 845 nghìn ha rau các loại, cho sản lượng hàng năm khoảng 14,5
triệu tấn. Trong đó, Đồng bằng Sơng Hồng và Sơng Cửu Long là hai vùng sản xuất rau
lớn nhất nước. Đối với cây ăn quả, hiện cả nước có khoảng 700 nghìn ha cây ăn quả, cho
sản lượng hàng năm khoảng 7 triệu tấn quả các loại.
Kim ngạch xuất khẩu rau quả trong 5 năm qua tăng trưởng ở mức cao, bình quân
26,5% mỗi năm, từ 439 triệu USD trong năm 2009 lên gần 1,1 tỷ USD vào năm 2013.
Trong 3 tháng đầu năm 2015, xuất khẩu rau quả đạt kim ngạch 368 triệu USD, tăng 26%
so với cùng kỳ năm 2014. Rau quả Việt Nam đã được xuất đi trên 40 quốc gia và vùng
lãnh thổ. 10 thị trường xuất khẩu chính là Trung Quốc, Nhật Bản, Hoa Kỳ, Nga, Đài
Loan, Hàn Quốc, Indonexia, Hà Lan, Thái Lan và Singapore.
Lợi thế của của Việt Nam là sản lượng rau quả lớn, tuy nhiên khó khăn cơ bản
của ngành sản xuất, chế biến rau quả hiện nay chủ yếu vẫn là do chất lượng chưa được
cải thiện, phương thức sản xuất kinh doanh lạc hậu, thiếu chủ động. Trong khi đó, yêu
cầu về chất lượng hàng hóa của các nước nhập khẩu địi hỏi ngày càng cao hơn, cùng
với đó là sự cạnh tranh của các quốc gia xuất khẩu rau quả khác ngày càng gay gắt trên

cả phương diện chất lượng hàng hóa, giá cả hàng hóa và phương thức kinh doanh.
Nhằm đáp ứng yêu cầu bức thiết về việc nâng cao chất lượng sản phẩm, cần phải
áp dụng công nghệ tiên tiến vào sản xuất, chế biến để tạo ra các sản phẩm với chất lượng
dinh dưỡng cao, đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước cũng như xuất khẩu.
1.2. Tình hình sử dụng bơm nhiệt trong cơng nghệ sấy

2


Bơm nhiệt đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành có u cầu sử dụng
nguồn nhiệt thấp. Cơng nghệ sấy lạnh sử dụng bơm nhiệt đã được nghiên cứu rộng rãi
trong nghành sản xuất gỗ để đảm bảo chất lượng gỗ sấy.
Máy sấy dùng bơm nhiệt đã được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp
thực phẩm. Nghiên cứu thực nghiệm về quá trình sấy bơm nhiệt sử dụng để sấy trái cây
tại Thái Lan đã cho thấy mức độ tiêu thụ năng lượng khoảng 3,33 kWh/kg ẩm [1]. Nghiên
cứu về sấy nấm rơm ở Thổ Nhĩ Kỳ cho thấy mức độ tiêu thụ năng lượng chỉ 1,08 kWh/kg
ẩm [2]. Cunney và cộng sự đã nghiên cứu và công bố sử dụng bơm nhiệt có thể giảm chi
phí năng lượng trong quá trình sấy xuống 30 – 50% [3]. Soylemez (2008) đã nghiên cứu
và tối thiểu hóa chi phí năng lượng trong quá trình sấy sử dụng bom nhiệt [4].
Ở trong nước, các nghiên cứu về quá trình sấy sử dụng bơm nhiệt cũng đã và đang
được tiến hành. Tác giả Hoàng Ngọc Đồng cùng các cộng sự đã nghiên cứu về thực
nghiệm quá trình sấy gỗ, đồng thời xây dựng chương trình tính tốn q trình sấy lạnh
gỗ [5].Viện cơ điện Nông nghiệp và Công nghệ Sau thu hoạch Hà Nội cũng đã công bố
nghiên cứu về quy trình và thiết bị sấy rau quả bằng bơm nhiệt với mức tiêu thụ năng
lượng tương đương 0,341 kWh/kg ẩm.
1.3. Tổng quan về quá trình sấy
1.3.1. Khái niệm về quá trình sấy
Q trình sấy là q trình làm khơ các vật thể, các vật liệu, các sản phẩm bằng
phương pháp bay hơi nước. Như vậy, q trình sấy khơ một vật thể diễn biến như sau:
Vật thể được gia nhiệt để đưa nhiệt độ lên đến nhiệt độ bão hòa ứng với phân áp suất của

hơi nước trên bề mặt vật thể. Vật thể được cấp nhiệt để làm bay hơi ẩm. Vận chuyển hơi
ẩm đã thoát ra khỏi vật thể vào mơi trường.
Tóm lại, trong q trình sấy xảy ra các quá trình trao đổi nhiệt và trao đổi chất cụ
thể là quá trình truyền nhiệt từ chất tải nhiệt cho vật sấy, quá trình truyền ẩm từ trong vật

3


sấy ra ngồi bề mặt sấy, q trình truyền ẩm từ bề mặt vật sấy ra ngồi mơi trường. Các
q trình truyền nhiệt truyền chất trên xảy ra đồng thời trên vật sấy, chúng có qua lại lẫn
nhau.
1.3.2. Đặc điểm quá trình sấy
Đặc điểm của quá trình sấy đối với vật thể có độ ẩm tương đối cao, nhiệt độ sấy
và tốc độ chuyển động của khơng khí khơng q lớn xảy ra theo ba giai đoạn đó là giai
đoạn làm nóng vật, giai đoạn sấy tốc độ khơng đổi, giai đoạn tốc độ sấy giảm dần. Đối
với các trường hợp sấy với điều kiện khác thì quá trình sấy cũng xảy ra ba giai đoạn
nhưng các giai đoan có thể đan xen khó phân biệt hơn.
 Giai đoạn làm nóng vật liệu sấy
Giai đoạn này bắt đầu từ khi đưa vật liệu vào buồng sấy tiếp xúc với không khí
nóng cho tới khi nhiệt độ vật liệu đạt được bằng nhiệt độ kế ước. Trong q trình sấy
này tồn bộ vật được gia nhiệt. Ẩm lỏng trong vật được gia nhiệt cho đến khi đạt
được nhiệt độ sôi ứng với phân áp suất hơi nước trong môi trường không khí trong
buồng sấy. Do được làm nóng nên độ ẩm của vật có giảm chút ít do bay hơi ẩm cịn
nhiệt độ của vật thì tăng dần cho đến khi bằng nhiệt độ kế ước. Tuy vậy, sự tăng nhiệt
độ trong q trình xảy ra khơng đều ở phần ngồi và phần trong vật. Vùng trong vật
đạt đến nhiệt độ kế ước chậm hơn. Đối với vật dễ sấy thì giai đoạn làm nóng vật xảy
ra nhanh.
 Giai đoạn sấy đẳng tốc
Kết thúc giai đoạn gia nhiệt, nhiệt độ vật bằng nhiệt độ kế ước. Tiếp tục cung cấp
nhiệt, ẩm trong vật sẽ hóa hơi cịn nhiệt độ của vật giữ khơng đổi nên nhiệt cung cấp

chỉ để làm hóa hơi nước. Ẩm sẽ hóa hơi ở lớp vật liệu sát bề mặt vật, ẩm lỏng ở bên
trong vật sẽ truyền ra ngồi bề mặt vật để hóa hơi. Do nhiệt độ khơng khí nóng khơng
đổi, nhiệt độ vật cũng không đổi nên chênh lệch nhiệt độ giữa vật và môi trường cũng

4


không đổi. Điều này làm cho tốc độ giảm của độ chứa ẩm vật theo thời gian cũng
khơng đổi, có nghĩa là tốc độ sấy không đổi.
Trong giai đoạn này biến thiên của độ chứa ẩm theo thời gian là tuyến tính. Ẩm
được thốt ra trong giai đoạn này là ẩm tự do. Khi độ ẩm của vật đạt đến trị số tới
hạn thì giai đoạn sấy tốc độ khơng đổi chấm dứt. Đồng thời cũng là chấm dứt giai
đoạn thoát ẩm tự do chuyển sang giai đoạn sấy tốc độ giảm.
 Giai đoạn sấy giảm tốc
Kết thúc giai đoạn sấy tốc độ không đổi ẩm tự do đã bay hơi hết, còn lại trong vật
là ẩm liên kết. Năng lượng để bay hơi ẩm liên kết lớn hơn ẩm tự do và càng tăng lên
khi độ ẩm của vật càng nhỏ. Do vậy tốc độ bay hơi ẩm trong giai đoạn này nhỏ hơn
giai đoạn sấy tốc độ không đổi có nghĩa là tốc độ sấy trong giai đoạn này nhỏ hơn và
càng giảm đi theo thời gian sấy. Quá trình sấy càng tiếp diễn, độ ẩm của vật càng
giảm, tốc độ sấy cũng giảm cho đến khi độ ẩm của vật giảm đến bằng độ ẩm cân bằng
với điều kiện mơi trường khơng khí ẩm trong buồng sấy thì q trình thốt ẩm của
vật ngưng lại, có nghĩa tốc độ sấy bằng không.
1.3.3. Sự khuếch tán của nước trong nguyên liệu
 Sự khuếch tán của nước trong nguyên liệu
Dưới sự ảnh hưởng của các nhân tố lý học như: hấp thụ nhiệt, khuếch tán, bay hơi…
làm nước trong vật liệu tách ra ngồi, đây là một q trình rất phức tạp gọi là làm khơ.
Nếu q trình cung cấp nhiệt ngừng lại mà vẫn muốn duy trì quá trình sấy thì q trình
làm khơ vật liệu phải được cung cấp một lượng nhiệt nhất định để vật liệu có nhiệt độ
cần thiết.
Khi nhiệt lượng cung cấp đủ cho ngun liệu thì nước sẽ thốt ra khỏi ngun liệu

bằng hai quá trình: khuếch tán ngoại và khuếch tán nội.
Nhiệt cung cấp cho vật liệu Q được đưa tới bằng ba phương thức: bức xạ, truyền
và đối lưu. Sự cân bằng nhiệt khi làm khô được biểu thị:

5


Q = Q1 + Q2 + Q3
Trong đó:
Q – là nhiệt lượng cung cấp cho nguyên liệu
Q1 – là nhiệt lượng làm cho các phần tử hơi nước tách ra khỏi nguyên liệu
Q2 – là nhiệt lượng cung cấp để cắt đứt mối lêin kết mỗi giữa nước và
protein trong nguyên liêụ.
Q3 – là nhiệt lượng để làm khô các tổ chức tế bào.
Sau khi sấy khơ cịn phải tính đến nhiệt lượng làm nóng dụng cụ thiết bị
Q4 và nhiệt lượng hao phí ra mơi trường xung quanh Q5.
Trong q trình làm khơ nước ở trong vật liệu khuếch tán chuyển dần ra bề mặt
nguyên liệu và môi trường xung quanh, làm cho khơng khí trong mơi trường xung quanh
ẩm lên, nếu khơng khí ẩm đó khơng được phân tán thì cho đến một lúc nào đó q trình
sấy khô sẽ dừng lại.
 Khuếch tán ngoại
Sự chuyển động của hơi nước trên bề mặt ngun liệu vào khơng khí gọi là khuếch
tán ngoại. Lượng nước bay hơi do khuếch tán ngoại thực hiện được dưới điều kiện: áp
suất hơi nước bão hòa trên bề mặt nguyên liệu E lớn hơn áp suất riêng phần của hơi nước
trong khơng khí e, sự chênh lệch áp suất đó là:
∆P = E − e
Lượng nước bay hơi đi W tỉ lệ thuận với ∆P, với bề mặt bay hơi F và thời gian
làm khô là:
dW = B(E – e)F.dt
Và tốc độ bay hơi nước được biểu thị như sau :

𝑑𝑊
= 𝐵𝐹(𝐸 − 𝑒)
𝑑𝑡
Trong đó:

6


W – lượng nước bay hơi (kg)
B – hệ số bay hơi nước, nó phụ thuộc vào tốc độ gió, hướng gió và trạng thái bề
mặt nguyên liệu.
E – áp suất hơi nước bão hòa trên bề mặt nguyên liệu (mmHg)
e – áp suất riêng phần của hơi nước trong khơng khí (mmHg)
F – diện tích bay hơi nước (m2)
t -thời gian bay hơi (giờ)
 Khuếch tán nội
Khuếch tán nội là do sự chênh lệch giữa các lớp trong nguyên liệu tạo nên sự
chuyển động của hàm ẩm ở trong nguyên liệu từ lớp này đến lớp khác để tạo sự cân bằng
ẩm trong bản thân nguyên liệu. Động lực của khuếch tán nội là sự chênh lệch về độ ẩm
giữa các lớp trong và lớp ngoài, nếu sự chênh lệch độ ẩm càng lớn tức là gradian độ ẩm
càng lớn thì tốc độ khuếch tán nội xảy ra càng nhanh. Ta có thể biểu thị tốc độ khuếch
tán nội bằng phương trình:
𝑑𝑊
𝑑𝑒
= 𝐾𝐹(𝐸 )
𝑑𝑡
𝑑𝑥
Trong đó:
W – lượng nước khuếch tán ra (kg)
t – thời gian khuếch tán (giờ)

𝑑𝑒
− Gradien độ ẩm
𝑑𝑥
K – hệ số khuếch tán
F – diện tích bề mặt khuếch tán (m2)

7


 Mối quan hệ giữa khuếch tán ngoại và khuếch tán nội
Khuếch tán ngoại và khuếch tán nội có mối liên quan mật thiết với nhau, tức là
khuếch tán ngoại có được tiến hành thì khuếch tán nội mới được tiếp tục và như thế độ
ẩm của nguyên liệu mới được giảm dần.
Trong quá trình sấy nếu khuếch tán nội lớn hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay
hơi sẽ nhanh, nhưng điều này rất ít gặp trong q trình sấy. Thông thường, khuếch tán
nội của hơi nước trong nguyên liệu thường nhỏ hơn tốc độ bay hơi trên bề mặt. Khi
khuếch tán nội nhỏ hơn khuếch tán ngoại thì quá trình bay hơi sẽ gián đoạn vì thế điều
chỉnh khuếch tán nội sao cho phù hợp với khuếch tán ngoại là vấn đề rất quan trọng trong
quá trình sấy.
Trong q trình làm khơ, ở giai đoạn đầu lượng nước trong nguyên liệu nhiều, sự
chênh lệch độ ẩm lớn, do đó khuếch tán nội thường phù hợp với khuếch tán ngoại nên
tốc độ làm khô tương đối nhanh. Nhưng, ở giai đoạn cuối thì lượng nước cịn lại trong
ngun liệu ít, tốc độ bay hơi bề mặt nhanh mà tốc độ khuếch tán nội lại chậm tạo thành
một màng cứng làm ảnh hưởng rất lớn cho quá trình khuếch tán nội. Vì vậy làm ảnh
hưởng đến q trình làm khơ nguyên liệu.
Sự dịch chuyển của nước trong quá trình làm khơ trước hết là nước tự do, sau đó
mới đến nước kết hợp. Trong suốt q trình làm khơ, lượng nước tự do luôn giảm xuống.
Lượng nước trong nguyên liệu dịch chuyển dưới hai hình thức là thể lỏng và thể hơi do
phương thức kết hợp của nước trong nguyên liệu quyết định.
Trong q trình làm khơ sự di chuyển ẩm phụ thuộc vào độ chênh lệch ẩm và chênh

lệch nhiệt:
Sự phụ thuộc chênh lệch độ ẩm ∆U đến tốc độ thốt ẩm W’
W’ = -Kyo∆U
Trong đó:

8


W’ – lượng nước của nguyên liệu đi qua một đơn vị diện tích trong một
đơn vị thời gian
yo – khối lượng riêng của chất khô tuyệt đối.
K – hệ số truyền dẫn ẩm phần
Dấu (-) biểu thị độ ẩm di chuyển theo hướng giảm dần
1.3.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ sấy
1.3.4.1. Ảnh hưởng của nhiệt độ khơng khí
Trong các điều kiện khác nhau khơng đổi như độ ẩm khơng khí, tốc độ
gió…,việc nâng cao nhiệt độ sẽ làm tăng nhanh tốc độ làm khô do lượng nước trong
nguyên liệu giảm xuống càng nhiều. Nhưng tăng nhiệt độ cũng ở giới hạn cho phép vì
nhiệt độ làm khô cao sẽ làm ảnh hưởng lớn đến chất lượng sản phẩm, dễ làm cho nguyên
liệu bị chín và gây nên sự tạo màng cứng ở lớp bề ngoài cản trở tới sự chuyển động của
nước từ lớp bên trong ra bề mặt ngồi. Nhưng với nhiệt độ làm khơ quá thấp, dưới giới
hạn cho phép thì quá trình làm khô sẽ chậm lại dẫn đến sự thối rữa, hủy hoại ngun
liệu.
Q trình làm khơ tiến triển, sự cân bằng của khuếch tán nội và khuếch tán ngoại bị phá
vỡ, tốc độ khuếch tán ngoại lớn nhưng tốc độ khuếch tán nội thì chậm lại dẫn đến hiện
tượng tạo vỏ cứng ảnh hưởng đến q trình làm khơ.
1.3.4.2. Ảnh hưởng của tốc độ chuyển động của khơng khí
Tốc độ chuyển động của khơng khí có ảnh hưởng lớn đến q trình sấy, tốc độ
gió q lớn hoặc q nhỏ đều khơng có lợi cho q trình sấy. Vì, tốc độ chuyển động
của khơng khí q lớn khó giữ nhiệt lượng trên ngun liệu để cân bằng q trình sấy,

cịn tốc độ quá nhỏ sẽ làm cho quá trình sấy chậm lại, dẫn đến sự hư hỏng sản phẩm, mặt

9