CHƯƠNG I: ĐỐI TƯỢNG SẤY VÀ MỐI QUAN HỆ CỦA CHÚNG
1.1 NGUYÊN VẬT LIỆU ẨM
1.1.1 PHÂN LOẠI CÁC NGUYÊN VẬT LIỆU ẨM
Theo quan điểm hoá lý, vật ẩm là một hệ liên kết phân tán giữa pha phân tán và môi trường phân tán. Pha phân tán là một chất có cấu trúc mạng hay khung không gian từ chất rắn phân đều trong môi trường phân tán ( là một chất khác).
Dựa theo tính chất lý học, người ta có thể chia vật ẩm ra thành ba loại:
– Vật liệu keo: là vật có tính dẻo do có cấu trúc hạt. Nước hoặc ẩm ở dạng liên kết hấp thụ và thẩm thấu. Các vật keo có đặc điểm chung là khi sấy bị co ngót khá nhiều, nhưng vẫn giữ được tính dẻo. Ví dụ: gelatin, các sản phẩm từ bột nhào, tinh bột…
– Vật liệu xốp mao dẫn: nước hoặc ẩm ở dạng liên kết cơ học do áp lực mao quản hay còn gọi là lực mao dẫn. Vật liệu này thường dòn hầu như không co lại và dễ dàng làm nhỏ (vỡ vụn) sau khi làm khô. Ví dụ: đường tinh thể, muối ăn v.v…
– Vật liệu keo xốp mao dẫn: bao gồm tính chất của hai nhóm trên. Về cấu trúc các vật này thuộc xốp mao dẫn, nhưng về bản chất là các vật keo, có nghĩa là thành mao dẫn của chúng có tính dẻo, khi hút ẩm các mao dẫn của chúng trương lên, khi sấy khô thì co lại. Loại vật liệu này chiếm phần lớn các vật liệu sấy. Ví dụ: ngũ cốc, các hạt họ đậu, bánh mì, rau, quả v.v…
1.1.2 CÁC DẠNG LIÊN KẾT TRONG VẬT LIỆU ẨM:
Các liên kết giữa ẩm với vật khô có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình sấy. Nó sẽ chi phối diễn biến của quá trình sấy. Vật ẩm thường là tập hợp của ba pha: rắn, lỏng và khí (hơi). Các vật rắn đem đi sấy thường là các vật xốp mao dẫn hoặc keo xốp mao dẫn. Trong các mao dẫn có chứa ẩm lỏng cũng với hỗn hợp hơi khí có thể tích rất lớn (thể tích xốp) nhưng tỷ lệ khối lượng của nó so với phần rắn và phần ẩm lỏng có thể bỏ qua. Do vậy trong kỹ thuật sấy thường coi vật thể chỉ gồm phần rắn khô và chất lỏng. Có nhiều cách phân loại các dạng liên kết ẩm. Trong đó phổ biến nhất là cách phân loại theo bản chất hình thành liên kết của P.H. Robinde (Hoàng Văn Chước, 1999). Theo cách này, tất cả các dạng lên kết ẩm được chia thành ba nhóm chính: liên kết hoá học, liên kết hoá lý và liên kết cơ lý.
1.1.2.1 Liên kết hoá học
Liên kết hoá học giữa ẩm và vật khô rất bền vững trong đó, các phân tử nước đã trở thành một bộ phận trong thành phần hoá học của phân tử vật ẩm. Loại ẩm này chỉ có thể tách ra khi có phản ứng hoá học và thường phải nung nóng đến nhiệt độ cao. Sau khi tách ẩm tính chất hoá lý của vật thay đổi. Ẩm này có thể tồn tại ở dạng liên kết phân tử như trong muối hydrat MgCl2.6H2O hoặc ở dạng liên kết ion như Ca(OH)2. Trong quá trình sấy không đặt vấn đề tách ẩm ở dạng liên kết hoá học.
1.1.2.2 Liên kết hoá lý
Liên kết hoá lý không đòi hỏi nghiêm ngặt về tỷ lệ thành phần liên kết. Có hai loại: liên kết hấp phụ (hấp thụ) và liên kết thẩm thấu. Liên kết hấp phụ của nước có gắn liền với các hiện tượng xảy ra trên bề mặt giới hạn của các pha (rắn hoặc lỏng). Các vật ẩm thường là những vật keo, có cất tạo hạt. Bán kính tương đương của hạt từ 10x(-9) – 10x(-7) m. Do cấu tạo hạt nên vật keo có bề mặt bên trong rất lớn. Vì vậy nó có năng lượng bề mặt tự do đáng kể. Khi tiếp xúc với không khí ẩm hay trực tiếp với ẩm, ẩm sẽ xâm nhập vào các bề mặt tự do này tạo thành liên kết hấp phụ giữa ẩm và bề mặt.
Liên kết thẩm thấu là sự liên kết hoá lý giữa nước và vật rắn khi có sự chênh lệch nồng độ các chất hoà tan ở trong và ngoài tế bào. Khi nước ở bề mặt vật thể bay hơi thì nồng độ của dung dịch ở đó tăng lên và nước ở sâu bên trong sẽ thấm ra ngoài. Ngược lại, khi ta đặt vật thể vào trong nước thì nước sẽ thấm vào trong.
1.1.2.3 Liên kết cơ lý
Đây là dạng liên kết giữa ẩm và vật liệu được tạo thành do sức căng bề mặt của ẩm trong các mao dẫn hay trên bề mặt ngoài của vật. Liên kết cơ học bao gồm liên kết cấu trúc, liên kết mao dẫn và liên kết dính ướt.
– Liên kết cấu trúc: là liên kết giữa ẩm và vật liệu hình thành trong quá trình hình thành vật. Ví dụ: nước ở trong các tế bào động vật, do vật đông đặc khi nó có chứa sẵn nước. Để tách ẩm trong trường hợp liên kết cấu trúc ta có thể làm cho ẩm bay hơi, nén ép vật hoặc phá vỡ cấu trúc vật… Sau khi tách ẩm, vật bị biến dạng nhiều, có thể thay đổi tính chất và thậm chí thay đổi cả trạng thái pha.
– Liên kết mao dẫn: nhiều vật ẩm có cấu tạo mao quản. Trong các vật thể này có vô số các mao quản. Các vật thể này khi để trong nước, nước sẽ theo các mao quản xâm nhập vào vật thể. Khi vật thể này để trong môi trường không khí ẩm thì hơi nước sẽ ngưng tụ trên bề mặt mao quản và theo các mao quản xâm nhập vào trong vật thể.
– Liên kết dính ướt: là liên kết do nước bám dính vào bề mặt vật. Ẩm liên kết dính ướt dễ tách khỏi vật bằng phương pháp bay hơi đồng thời có thể tách ra bằng các phương pháp cơ học như: lau, thấm, thổi, vắt ly tâm…
1.1.3 CÁC ĐẶC TRƯNG TRẠNG THÁI ẨM CỦA VẬT LIỆU ẨM
Những vật đem đi sấy thường chứa một lượng ẩm nhất định. Trong quá trình sấy ẩm, chất lỏng bay hơi, độ ẩm của nó giảm đi. Trạng thái của vật liệu ẩm được xác định bởi độ ẩm và nhiệt độ của nó.
1.1.3.1 Độ ẩm tuyệt đối
Bỏ qua khối lượng khí và hơi không đáng kể, người ta có thể coi vật liệu ẩm là hỗn hợp cơ học giữa chất khô tuyệt đối và ẩm.
1.1.3.2 Độ ẩm tương đối: là tỷ số giữa khối lượng ẩm W trên khối lượng chung của nguyên vật liệu:
Trong biểu thức trên có 4 đại lượng là khối lượng và độ ẩm tương đối của nguy liệu trước và sau khi sấy, nhưng nếu 3 đại lượng đã biết thì từ đó ta có thể tính được đạ lượng thứ tư.
Năng suất của một máy sấy có thể xác định theo khối lượng ẩm (W tách ra từ nguyên vật liệu trong quá trình sấy:
Muốn quan sát quá trình sấy bằng đường cong sấy một cách rõ ràng (tạo thành điểm uốn giữa hai đoạn sấy) người ta thường sử dụng độ ẩm tuyệt đối X, còn với độ ẩm tương đối w thường biểu thị trạng thái ẩm của nguyên vật liệu.
1.2 TÁC NHÂN SẤY
Tác nhân sấy là những chất dùng để chuyên chở lượng ẩm tách ra từ vật sấy.
Trong quá trình sấy, môi trường buồng sấy luôn luôn được bổ sung ẩm thoát ra từ vật sấy. Nếu lượng ẩm này không được mang đi thì độ ẩm tương đối trong buồng sấy tăng lên, đến một lúc nào đó sẽ đạt được sự cân bằng giữa vật sấy và môi trường trong buồng sấy và quá trình thoát ẩm từ vật sấy sẽ ngừng lại. Do vậy, cùng với việc cung cấp nhiệt cho vật để hoá hơi ẩm lỏng, đồng thời phải tải ẩm đã thoát ra khỏi vật ra khỏi buồng sấy. Người ta sử dụng tác nhân sấy làm nhiệm vụ này. Các tác nhân sấy thường là các chất khí như không khí, khói, hơi quá nhiệt. Chất lỏng cũng được sử dụng làm tác nhân sấy như các loại dầu, một số loại muối nóng chảy v.v…Trong đa số quá trình sấy, tác nhân sấy còn làm nhiệm vụ gia nhiệt cho vật liệu sấy, vừa làm nhiệm vụ tải ẩm. Ở một số quá trình như sấy bức xạ, tác nhân sấy còn có nhiệm vụ bảo vệ sản phẩm sấy khỏi bị quá nhiệt. Sau đây, chúng ta sẽ nghiên cứu hai loại tác nhân sấy thông dụng là không khí và khói.
1.2.1 KHÔNG KHÍ ẨM: CÁC THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG
Không khí là loại tác nhân sấy có sẵn trong tự nhiên, không gây độc hại và không gây bẩn sản phẩm sấy. Không khí là hỗn hợp của nhiều chất khí khác nhau. Thành phần của không khí bao gồm các chất, chủ yếu là N2, O2, hơi nước, ngoài ra còn có 1 số chất khí khác như: CO2, khí trơ, H2, O3…Không khí là một khí thực, nhưng thực tế không khí sử dụng để sấy thường ở áp suất thấp (áp suất khí quyển) và nhiệt độ không cao (từ hàng chục độ đến dưới vài trăm độ). Vì vậy, khi sử dụng có thể coi không khí là khí lý tưởng, mặc dù trong không khí có chứa hơi nước, nhưng áp suất riêng phần của nó không lớn.
Trong các điều kiện như trên, khi coi không khí là khí lý tưởng thì sai số gặp phải là chấp nhận được (<3%). Không khí có chứa hơi nước là không khí ẩm. Khi nghiên cứu không khí ẩm, người ta coi nó là hỗn hợp khí lý tưởng của 2 thành phần: không khí khô và hơi nước. Ở đây không khí khô được coi như là thành phần cố định như 1 chất khí lý tưởng (M =29 và số nguyên tử khí trong phân tử là 2). Thành phần thứ 2: hơi nước là thành phần luôn thay đổi trong không khí ẩm. Các thông số cơ bản của không khí ẩm như sau:
1.2.1.1 Áp suất
1.2.1.2 Nhiệt độ
Nhiệt độ xác định độ đun nóng của vật thể. Trong lĩnh vực sấy, nhiệt độ được đo theo nhiệt độ Celcius (oC) hoặc độ Fahreinhei (oF). Dụng cụ để đo nhiệt độ là nhiệt kế.
1.2.1.3 Độ ẩm tuyệt đối: là lượng hơi nước (tính bằng g hoặc kg) chứa trong 1 m3 không khí ẩm, tức là:
1.2.1.4 Độ ẩm tương đối: là tỷ số giữa lượng hơi nước chứa trong không khí ẩm với lượng hơi nước lớn nhất có thể chứa trong không khí ẩm đó ở cùng một nhiệt độ. Hay nói cách khác: độ ẩm tương đối là tỷ số giữa độ ẩm tuyệt đối trên độ ẩm tuyệt đối lớn nhất ứng với nhiệt độ nào đó của không khí ẩm
Độ ẩm tương đối là thông số quan trọng của không khí ẩm, nó là đại lượng đặc trưng khả năng hút ẩm của không khí. Giá trị tuyệt đối của độ ẩm tương đối càng nhỏ thì điều kiện cân bằng càng khác nhau, khả năng sấy của không khí càng lớn.
Độ ẩm tương đối của không khí phụ thuộc vào nhiệt độ.
Áp dụng phương trình trạng thái ta có:
1.2.1.5 Độ chứa ẩm d (hay hàm ẩm X) của không khí ẩm:
Là lượng hơi nước chứa trong 1 kg không khí khô. Do khối lượng của hơi nước ít nên người ta thường dùng thứ nguyên là (g/kg KKK)
1.2.1.6 Khối lượng riêng của không khí ẩm
Công thức trên chứng tỏ rằng: khối lượng riêng của không khí ẩm phụ thuộc vào 2 thông số thay đổi trong quá trình sấy là nhiệt độ và áp suất riêng phần của hơi nước. Khi áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí tăng lên thì ρhh giảm đi, nhưng trong quá trình sấy nhiệt độ của quá trình sấy giảm xuống nhanh hơn tốc độ tăng của áp suất riêng phần (theo công thức) nên đưa đến việc ρhh tăng rõ rệt hơn và kết quả là khối lượng riêng của không khí ẩm tăng lên trong quá trình sấy (Hoàng Văn Chước, 1999).
1.2.1.7 Nhiệt dung riêng của không khí ẩm
Khi đã coi không khí ẩm là hỗn hợp của khí lý tưởng thì có thể xác định nhiệt dung riêng của không khí ẩm theo công thức nhiệt dung riêng của hỗn hợp khí lý tưởng, tức là:
1.2.2 KHÓI LÒ (KHÍ LÒ ĐỐT)
1.2.2.1 Nguyên lý hệ thống sấy bằng khói lò
Hình vẽ 1.1 : Sơ đồ nguyên lý hệ thống sấy bằng khói lò.
Ưu điểm sấy bằng khói lò:
– có thể điều chỉnh nhiệt độ môi chất sấy trong một khoảng rất rộng; có thể sấy ở nhiệt độ rất cao 900-1000 oC và ở nhiệt độ thấp 70-90 oC hoặc thậm chí 40-50 oC.
– cấu trúc hệ thống đơn giản, dễ chế tạo, lắp đặt.
– đầu tư vốn ít vì không phải dùng calorife.
– giảm tiêu hao điện năng, do giảm trở lực hệ thống.
– nâng cao được hiệu quả sử dụng nhiệt của thiết bị.
Nhược điểm:
– gây bụi bẩn cho sản phẩm và thiết bị.
– có thể gây hoả hoạn hoặc xảy ra các phản ứng hoá học không cần thiết ảnh hưởng xấu đến chất lượng sản phẩm.
Trong công nghiệp thực phẩm khói lò thường ít được sử dụng. Trong một số trường hợp người ta có thể dùng để sấy một số hạt nông sản. Ngoài ra người ta còn có thể sử dụng khí tự nhiên làm chất đốt, vì khói tạo thành tương đối sạch, tuy nhiên do thành phần khói vẫn có hàm lượng ẩm và khí oxit nitơ cao (dễ gây ung thư), nên cần phải tiếp tục được làm sạch trước khi sử dụng để sấy thực phẩm.
1.3 QUAN HỆ GIỮA VẬT LIỆU ẨM VÀ KHÔNG KHÍ CHUNG QUANH
1.3.1 Độ ẩm cân bằng
Nếu ta có một vật ẩm đặt trong môi trường không khí ẩm sẽ xảy ra sự trao đổi nhiệt, ẩm giữa vật ẩm và môi trường không khí. Quá trình trao đổi nhiệt phụ thuộc vào sự chênh lệch nhiệt độ giữa không khí và vật, còn quá trình trình trao đổi ẩm phụ thuộc vào chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật và của hơi nước trong không khí ẩm. Nếu áp suất riêng phần trên bề mặt vật ẩm lớn hơn áp suất riêng phần trong không khí sẽ xảy ra quá trình bay hơi từ vật ẩm, độ ẩm của vật giảm đi (vật liệu khô hơn).
Nếu ngược lại, áp suất riêng phần trên bề mặt vật ẩm nhỏ hơn ấp suất riêng phần trong không khí thì vật liệu ẩm sẽ hấp thụ ẩm, độ ẩm tăng lên.Trong cả hai trường hợp áp suất riêng phần của hơi nước trên bề mặt vật ẩm sẽ tiến dần tới trị số áp của riêng phần của hơi nước trong không khí ẩm. Khi hai trị số áp suất riêng phần này bằng nhau thì vật và môi trường ở trạng thái cân bằng ẩm. Lúc này vật không hút ẩm cũng không thải ẩm. Độ ẩm của vật lúc này gọi là độ ẩm cân bằng Wcb. Độ ẩm cân bằng phụ thuộc vào áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí, tức là phụ thuộc vào độ ẩm tương đối của không khí ϕ. Quan hệ hàm số: Wcb=f(ϕ) có thể được xác định bằng thực nghiệm và được gọi là đường đẳng nhiệt. Đối với quá trình hút ẩm từ môi trường, đường cong Wcb=f(ϕ) gọi là đường hấp thụ đẳng nhiệt. Đối với quá trình bay hơi ẩm từ vật, đường cong xây dựng được là đường thải ẩm đẳng nhiệt (hình vẽ 1.1). Ngoài ra, độ ẩm cân bằng còn phụ thuộc vào thành phần hoá học, liên kết ẩm và mức độ nào đó vào trạng thái của nguyên liệu thực phẩm. Đa số sản phẩm thực phẩm khi nhiệt độ tăng thì Wcb giảm. Thời gian truyền ẩm đến cân bằng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nhiệt độ, độ ẩm của không khí và vật ẩm, tốc độ của không khí, cấu trúc của vật ẩm.
Độ ẩm cân bằng có ý nghĩa lớn trong việc chọn chế độ sấy thích hợp cho từng loại sản phẩm thực phẩm. Người ta thường chọn độ ẩm cuối cùng của sản phẩm sấy bằng độ ẩm cân bằng của sản phẩm đó đối với giá trị trung bình cuả độ ẩm tương đối không khí trong bảo quản.
1.3.2 Độ ẩm tới hạn Wth
Độ ẩm cân bằng của vật ẩm trong môi trường không khí có độ ẩm tương đối ϕ = 100% gọi là độ ẩm tới hạn Wth. Độ ẩm này là giới hạn của quá trình hấp thụ ẩm của vật hay là giới hạn của độ ẩm liên kết. Sau đó muốn tăng độ ẩm của vật phải nhúng vật vào trong nước hoặc có nước ngưng tụ trên bề mặt vật. Ẩm thâm nhập vào vật sau này gọi là ẩm tự do (hình vẽ 1.2). Trên đường cong vận tốc sấy, Wth là điểm uốn giữa giai đoạn vận tốc sấy không đổi và giai đoạn vận tốc sấy thay đổi.
Độ ẩm tới hạn được xác định bằng cách đo độ ẩm cân bằng của vật liệu với không khí bao quanh vật thể đó có độ ẩm tương đối 100 %, hoặc bằng đường cong hấp thụ đẳng nhiệt của vật thể. Độ ẩm tới hạn của nguyên liệu hoặc sản phẩm càng lớn thì khả năng hút ẩm càng lớn khi bảo quản trong không khí ẩm
