Tóm tắt

Bảo quản các sản phẩm lương thực, thực phẩm sau thu hoạch là vấn đề vô cùng quan trọng trong sản xuất nông ngư nghiệp và trong nền kinh tế quốc dân, nhằm phát triển các ngành nông ngư nghiệp, đồng thời đảm bảo an ninh lương thực, thực phẩm cho quốc gia nói riêng và cho thế giới nói chung. Hiện nay, công nghệ lạnh đông và công nghệ sấy khô là hai công nghệ chủ lực nhằm bảo quản sản phẩm sau thu hoạch để kéo dài thời gian sử dụng, phục vụ cho tiêu dùng và xuất khẩu. Vì thế, trong bài viết này chúng tôi sẽ giới thiệu một công nghệ sấy khô, sử dụng năng lượng xanh sạch và ít tiêu hao năng lượng, chi phí thấp phù hợp với sản xuất nông ngư nghiệp ở Việt Nam đó là Công nghệ sấy khô sản phẩm bằng hiệu ứng nhà kính, công nghệ này sẽ mang lại giá trị cạnh tranh cho sản phẩm.

GIỚI THIỆU

Hiệu ứng nhà kính diễn ra khi khí quyển chứa khí đã hấp thụ tia cực quang. Hơi nóng từ mặt trời xuống Trái Đất đã bị giữ lại ở tầng đối lưu, tạo ra hiệu ứng nhà kính ở bề mặt các hành tinh hoặc các Vệ tinh[1], [2]. Cơ cấu hoạt động này không khác nhiều so với một nhà kính (dùng để cho cây trồng) thật, điều khác biệt là nhà kính (cây trồng) có các cơ cấu cách biệt hơi nóng bên trong để giữ ấm không bị mất qua quá trình đối lưu.

Hình 1. Sơ đồ biểu diễn về hiệu ứng nhà kính

Hiệu ứng nhà kính được khám phá bởi nhà khoa học Joseph Fourier vào năm 1824, thí nghiệm đầu tiên có thể tin cậy được là bởi nhà khoa học John Tyndall vào năm 1858, và bản báo cáo định lượng kĩ càng được thực hiện bởi nhà khoa học Svante Arrhenius vào năm 1896[3]. Một ví dụ về Hiệu ứng nhà kính làm cho nhiệt độ của không gian bên trong của một nhà trồng cây làm bằng kính tăng lên khi Mặt Trời chiếu vào. Nhờ vào sức ấm này mà cây có thể đâm chồi, ra hoa và kết trái sớm hơn. Ngày nay người ta hiểu khái niệm này rộng hơn, dẫn xuất từ khái niệm này để miêu tả hiện tượng nghẽn nhiệt trong bầu khí quyển của Trái Đất được Mặt Trời chiếu sáng là hiệu ứng nhà kính khí quyển. Trong hiệu ứng nhà kính khí quyển, phần được đoán là do tác động của loài người gây ra được gọi là hiệu ứng nhà kính nhân loại (gia tăng). Hiện nay thế kỷ thứ 21 loài người đang phải đối mặt với tình trạng ấm lên do con người gây ra, tuy nhiên vấn đề vẫn đang được tranh cãi, gây ra nhiều tác hại nguy hiểm.

Hiệu ứng nhà kính gây được sự quan tâm lớn của giới khoa học. Hiệu ứng nhà kính dùng để chỉ hiệu ứng xảy ra khi năng lượng bức xạ của tia sáng mặt trời, xuyên qua các cửa sổ hoặc mái nhà bằng kính, được hấp thụ và phân tán trở lại thành nhiệt lượng cho bầu không gian bên trong, dẫn đến việc sưởi ấm toàn bộ không gian bên trong chứ không phải chỉ ở những chỗ được chiếu sáng.

Hiệu ứng nhà kính xảy ra khi nào? Hiệu ứng nhà kính diễn ra khi khí quyển chứa khí đã hấp thụ tia cực quang. Hơi nóng từ mặt trời xuống Trái Đất đã bị giữ lại ở tầng đối lưu, tạo ra hiệu ứng nhà kính ở bề mặt các hành tinh hoặc các vệ tinh.

1. ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SẤY BẰNG HIỆU ỨNG NHÀ KÍNH ĐỂ BẢO QUẢN SẢN PHẨM THỦY HẢI SẢN

Dựa vào nguyên lý của hiệu ứng nhà kính là “Khi năng lượng bức xạ của tia sáng mặt trời, xuyên qua các cửa sổ hoặc mái nhà bằng kính, được hấp thụ và phân tán trở lại thành nhiệt lượng cho bầu không gian bên trong, dẫn đến việc sưởi ấm toàn bộ không gian bên trong”. Nhiệt độ bên trong không gian có thể tăng lên (55 – 65)^oC, nếu thiết kế hệ thống bẩy nhiệt tốt, khả năng hấp thu nhiệt tốt thì nhiệt độ trong không gian nhà kính có thể tăng lên từ (70 – 75)^oC.

Hình 2. Hệ thống nhà sấy bằng hiệu ứng nhà kính

Các nhà kỹ thuật đã tính toán thiết kế, xây dựng nhà sấy bằng hiệu ứng nhà kính (xem hình 2) để sấy các sản phẩm nông sản cũng như thủy hải sản rất hiệu quả. Vì sử dụng năng lượng từ bức xạ mặt trời xanh sạch, chi phí thấp, tách lý với côn trùng (ruồi như phơinắng) đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm. Do vậy làm tăng lợi thế cạnh tranh cho sản phẩm, dễ tiêu thu ổn định đầu ra cho nền sản xuất nông ngư nghiệp (xem hình 3).

Hình 3. Hệ thống nhà sấy bằng hiệu ứng nhà kính dùng để sấy cà phê
 

Các bộ phận của hệ thống nhà sấy bằng hiệu ứng nhà kính gồm:

• Kết cấu nhà mái vòm bằng tấm kính lợp polycarbonate (xem hình 4), bởi vì kết cầu này cho khả năng bức xạ xuyên qua tốt, nhưng khi vào trong không gian mái vòm rồi thì khả năng thất thoát nhiệt ra ngoài kém.
• Nền móng nhà sấy.
• Không gian nhà mái vòm: phải thiết kế hợp lý, đặt các kệ chứa sản phẩm và các kênh dẫn gió đối lưu, nguồn nhiệt bổ sung.
• Hệ thống đối lưu không khí trong nhà sấy: thường dùng quạt.
• Hệ thống khử ẩm không khí để làm tăng hiệu quả quá trình sấy
• Hệ thống điều khiển và kiểm soát nhiệt độ và tốc độ tác nhân sấy (không khí).

Hình 4. Tấm kính lớp polycarbonate

Công nghệ sấy bằng hiệu ứng nhà kính rất thích hợp để sấy khô vật liệu thủy hải sản, vì nhiệt độ sấy vừa phải không quá cao, làm khả năng tách ẩm tốt. Nếu nhiệt độ tăng quá cao cũng không phù hợp, vì khi nhiệt độ cao sẽ tạo ra một lớp màng lipoprotein khô cứng trên bề mặt sản phẩm, lớp này sẽ ngăn cản sự thoát nước từ bên trong sản phẩm ra ngoài bề mặt, dẫn đến không thể sấy khô sản phẩm đạt tới độ ẩm yêu cầu.

Với nhiệt độ môi trường sấy từ (55 – 65)^oC, nếu độ chứa hơi của không khí thấp là rất thích hợp để sấy các loại sản phẩm thủy hải sản.

Theo nghiên cứu ở [5] cho thấy, sấy bằng năng lượng mặt trời (hiệu ứng nhà kính) thì thời gian sấy được rút ngắn và tăng được năng suất thiết bị.

Hình 5. Sự biến thiên độ ẩm theo thới gian sấy

Tính toán phụ tải nhiệt cho hệ thống sấy bằng hiệu ứng nhà kính như sau [6]:

Gọi W₁ và W₂ (%) là độ ẩm ban đầu của nguyên liệu đưa vào và sản lấy ra khỏi nhà sấy, G₁, G₂ (kg) là khối lượng nguyên liệu đưa vào và sản phẩm lấy ra khỏi nhà sấy. Như vậy:

Lượng nước cần tách ra khỏi nguyên liệu để tạo ra sản phẩm là:

          
Với L (kJ/kg) - ẩn nhiệt hóa hơi của nước.

Năng lượng tiêu hao để đốt nóng các kệ, khay dùng để đặt và chứa nguyên liệu có trong không gian nhà sấy là:

            Q₃ = G_k.c_pk.(t₂ – t₁), kJ                                                   (5)

Với G_k (kg) – khối lượng của kệ và khay; c_pk (kJ/(kg.K)) – nhiệt dung riêng trung bình của kệ và khay dùng để đặt và chứa nguyên liệu có trong không gian nhà sấy.

Năng lượng tổn thất từ bên trong không gian nhà sấy ra bên ngoài môi trường nhà sấy

            Q₄ = F.K.(t_f1 – t_f2).t.10^-3, kJ                                                     (6)

Với F(m²) – diện tích cơ cấu bao che nhà sấy mái vòm; K(W/(m².K)) – hệ số truyền nhiệt qua cơ cấu bao che mái vòm; t_f1, t_f2 (^oC) – nhiệt độ môi trường bên trong và bên ngoài nhà sấy; t(s) – thời gian sấy.

Năng lượng cần thiết để đốt nóng lượng không khí trong không gian nhà sấy được xác định như sau:

            Q₅ = G_k (h₂ – h₁), kJ                                                                (7)

Với G_k(kg kkk) – lương không khí khô có trong không gian nhà sấy; h₁, h₂ (kJ/kg kkk) – Emtalpy không khí trước và sau khi sấy

Phụ tải nhiệt của nhà sấy được xác định như sau:
            

Với q (W/m²) – năng suất hấp thu nhiệt riêng của vật liệu mái vòm

Quy trình công nghệ của quá trình thiết kế nhà sấy bằng hiệu ứng nhà kính bao gồm các bước sau đây:

1. Khảo sát vị trí địa lý, yếu tố khí hậu của khu vực đặt nhà sấy.
2. Nghiên cứu tính chất của nguyên liệu cho mục đích sấy.
3. Thiết kế kết cấu nhà sấy theo quy mô yêu cầu (nhà sấy nhỏ, vừa và lớn).
4. Thi công san lấp làm nền và móng cột cho nhà sấy.
5. Lắp đặt khung nhà bằng khung nhôm định hình.
6. Lợp tấm lợp polycarbonate.
7. Lắp đặt hệ thống cấp nhiệt bổ sung.
8. Lắp đặt các thiết bị phụ trợ (quạt, cửa thông gió, panel pin mặt trời).
9. Cài đặt các cảm biến nhiệt độ và độ ẩm cũng như hệ thống xử lý thông tin trung tâm.
10. Ứng dụng IoT trong điều khiển và kiểm soát quá trình sấy theo các thông số công nghệ như: nhiệt độ môi trường sấy, tốc độ tác nhân sấy, độ ẩm của tác nhân sấy.
11. Vận hành thử nghiệm và bàn giao.

Tuổi thọ của một hệ thống nhà sấy bằng hiệu ứng nhà kính khoảng 8-10 năm, vì thế nếu đầu tư một lần phù hợp với năng suất mong muốn thì khả năng hoàn vốn nhanh, hệ thống làm việc đạt được hiệu quả kính tế.

KẾT LUẬN

Năng lượng mặt trời không những là nguồn năng lượng sạch mà còn là nguồn năng lượng dồi dào và hoàn toàn miễn phí, do đó các thiết bị nếu sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả sẽ biến nguồn năng lượng này sẽ góp phần giúp giảm thiểu và giải quyết những khó khăn cho người nông dân, góp phần nâng cao khả năng cạnh tranh của ngành nông nghiệp Việt Nam trên thị trường quốc tế.Thiết bị sấy ứng dụng năng lượng mặt trời đáp ứng đa nhu cầu sử dụng: thiết bị sấy quy mô công nghiệp khoảng 140 – 160 triệu đồng/thiết bị và thiết bị sấy quy mô hộ gia đình khoảng 30-60 triệu đồng/thiết bị.

Tài liệu tham khảo

1. http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/syr/ar4_syr_appendix.pdf truy cập ngày 13 tháng 2 năm 2010 IPCC AR4 SYR Appendix Glossary.
2. A concise description of the greenhouse effect is given in the Intergovernmental Panel on Climate Change Fourth Assessment Report, "What is the Greenhouse Effect? http://www.ipcc.ch/pdf/assessment-report/ar4/wg1/ar4-wg1-chapter1.pdf, trang 115, To balance the absorbed incoming [solar] energy, the Earth must, on average, radiate the same amount of energy back to space. Because the Earth is much colder than the Sun, it radiates at much longer wavelengths, primarily in the infrared part of the spectrum (see Figure 1). Much of this thermal radiation emitted by the land and ocean is absorbed by the atmosphere, including clouds, and reradiated back to Earth. This is called the greenhouse effect." Stephen H. Schneider, in Geosphere-biosphere Interactions and Climate, Lennart O. Bengtsson and Claus U. Hammer, eds., Cambridge University Press, 2001,http://en.wikipedia.org/wiki/Special:BookSources/0521782384 trang 90-91. E. Claussen, V. A. Cochran, and D. P. Davis, Climate Change: Science, Strategies, & Solutions, University of Michigan, 2001. trang. 373. A. Allaby and M. Allaby, A Dictionary of Earth Sciences, Oxford University Press, 1999, http://en.wikipedia.org/wiki/Special:BookSources/0192800795, trang 244
3. An Error Occurred Setting Your User Cookie”. Truy cập 23 tháng 9 năm 2015.
4. https://vi.wikipedia.org/wiki/Hiệu_ứng_nhà_kính
5. Mai Thanh Phong, Chế tạo & úng dụng hệ thống sấy bằng năng lượng mặt trời. Tạp chí Khoa học và Công nghệ 50 (2) (2012) 247-252
6. Nguyễn Tấn Dũng, Quá trình và Thiết bị truyền nhiệt, tập 2, phần 1, 2 & 3. NXB ĐHQG TpHCM, năm 2016.