Food science, food industrial technology on blog

ไซโครเมทริกส์เป็นวิชาที่ว่าด้วยการศึกษาความสัมพัทธ์ทางเทอร์โมไดนามิกส์ของส่วนผสมระหว่างไอน้ำและก๊าซ ในกระบวนการทำแห้งอาหารเรามักใช้อากาศเป็นตัวกลางทำแห้ง เนื่องจากหาง่ายที่สุดแล้ว ในอากาศจะประกอบไปด้วย อากาศแห้ง(dry air) และ ความชื้นหรือน้ำ (Moisture) เป็นองค์ประกอบ โดยหลักการแล้วนะครับอากาศที่ใช้ทำแห้งอาหารควรที่จะมีความชื้นน้อยๆ เพื่อที่จะได้ดึงเอาน้ำที่อยู่ในอาหารออกไปได้มาก อากาศแห้ง 1 โมลจะมีก๊าซไนโตรเจนเป็นองค์ประกอบอยู่ 79% รองลงมาคือ ออกซิเจน 20 % และก๊าซอื่นๆ ดังนั้นอากาศแห้ง 1 โมลจะมีมวล 29 กรัม หรือ 29 ปอนด์ก็ได้ในกรณีเทียบมาจากหน่วยอังกฤษ

การศึกษาไซโครเมทริกส์จะช่วยให้เราเข้าใจถึงสมบัติของอากาศแห้งที่ใช้ในการทำแห้งอาหาร เพื่อนำไปประยุกต์ใช้ในกระบวนการอบแห้งอาหารได้อย่างมีประสิทธิภาพสูงสุด

1. พารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องทางไซโครเมทริกส์

1.1 อุณหภูมิกระเปาะแห้ง (Dry bulb temperature)

เป็นอุณหภูมิที่บอกโดยไม่มีการดัดแปลง(modified temperature sensor) ในการบอกอุณหภูมิวัดได้ด้วยเทอร์โมมิเตอร์ทั่วไป จะหมายความถึง อุณหภูมิกระเปาะแห้ง

1.2 อุณหภูมิกระเปาะเปียก (Wet bulb temperature)

มี 2 แบบ คือ

1) อุณหภูมิกระเปาะเปียกทางไซโครเมทริกส์ (psychrometric wet bulb temperature)

2) อุณหภูมิกระเปาะเปียกทางเทอร์โมไดนามิกส์ (thermodynamic wet bulb temperature)

ในกรณีอากาศชื้นค่าทั้ง 2 แบบนี้มีค่าใกล้เคียงกัน

อุณหภูมิกระเปาะเปียกทางไซโครเมทริกส์ได้มาจากการนำเทอร์โมมิเตอร์แบบปรอทหุ้มด้วยสำลีหรือผ้าเปียกตลอดเวลา แล้วปล่อยให้สัมผัสกับอากาศที่ไหลในความเร็วสูง (อย่างน้อย 4.6เมตร/วินาที) หรือ จะผูกเชือกกับเทอร์โมมิเตอร์ที่หุ้มผ้าสำลีที่ชุ่มน้ำ แล้วเหวี่ยงเป็นวงกลม ก็ทำได้เช่นกัน ความชื้นที่อยู่ในผ้าสำลีชุ่มน้ำเมื่อสัมผัสกับอากาศไม่อิ่มตัวที่อยู่ภายนอก ก็จะมีการถ่ายเทความชื้นสู่อากาศไม่อิ่มตัวเนื่องจากความดันไอของน้ำในผ้าสำลีสูงกว่าอากาศแห้ง ซึ่งเป็นกระบวนการระเหยที่เกิดขึ้นนี้จะไปมีผลทำให้เกิดการดึงความร้อนออกไป ความร้อนที่สัมผัสที่จะไหลออกจากอากาศไปยังผ้าสำลี จนการระเหยอยู่ในสภาวะคงตัว อุณหภูมิที่อ่านได้จากเทอร์โมมิเตอร์จึงมีค่าต่ำกว่าเมื่อเปรียบเทียบกับอุณหภูมิกระเปาะแห้ง

รูปที่ 1 การวัดอุณหภูมิกระเปาะเปียกอย่างง่าย

ส่วนอุณหภูมิกระเปาะเปียกทางเทอร์โมไดนามิกส์จะได้จากการทำให้อากาศชื้นเป็นอากาศอิ่มตัวในสภาวะอะเดียบาติก ดังตัวอย่างในรูปที่ 2 ซึ่งภายนอกจะต้องหุ้มฉนวนเพื่อป้องกันถ่ายเทความร้อนออกไปนอกระบบ อากาศไม่อิ่มตัวที่อุณหภูมิ T₁ มีความชื้น w₁ และ ความชื้นสัมพัทธ์ RH₁ เมื่อผ่านเข้าสู่อ่างน้ำที่ยาวมากๆ อากาศแห้งที่ไม่อิ่มตัวจะรับเอาน้ำที่ระเหยจากอ่างที่มีฉนวนหุ้ม ที่ทางออกอากาศที่อิ่มตัวหรือมีความชื้นสัมพัทธ์ 100 % แล้ววัดอุณหภูมิออกมาก็จะได้อุณหภูมิกระเปาะเปียกทางเทอร์โมไดนามิกส์ และอากาศที่ทางออกจะมีอุณหภูมิน้อยกว่าขาเข้า มีความชื้นสูงกว่าขาเข้าด้วย

รูปที่ 2 กระบวนการอิ่มตัวแบบอะเดียบาติก

1.3 อุณหภูมิจุดน้ำค้าง (Dew point temperature)

คือ อุณหภูมิที่ไอน้ำในอากาศเริ่มควบแน่น เมื่ออากาศนั่นถูกทำให้เย็นลงที่อัตราส่วนความชื้นและความดันคงที่ ดังนั้นอุณหภูมิจุดน้ำค้างจึงหมายถึง อุณหภูมิอิ่มตัวของน้ำที่ความดันนั้นๆ

1.4 ปริมาตรจำเพาะ (Specific volume, Humid volume)

คือ ปริมาตรของอากาศชื้น ต่อ หนึ่งหน่วยมวลอากาศแห้ง ขณะเดียวกันค่าความหนาแน่นจำเพาะนั้นเป็นส่วนกลับกับค่าปริมาตรจำเพาะ

1.5 ความชื้นสัมพัทธ์ (Relative humidity)

คือ อัตราส่วนระหว่างปริมาณไอน้ำในความชื้น ต่อ ปริมาณไอน้ำสูงสุดที่อากาศนั้นจะสามารถรับไว้ได้ที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน นอกจากนี้ยังหมายถึง ความดันของอากาศ ต่อ ความดันอิ่มตัวในขณะนั้นที่อุณหภูมิหนึ่งๆ

ค่าความชื้นสัมพัทธ์จะมีค่าอยู่ระหว่าง 0 - 1 หรือรายงานในรูปร้อยละ ตั้ง 0% - 100% ก็ได้ อากาศที่ใช้ทำแห้งอาหารควรจะมีค่าความชื้นสัมพัทธ์ต่ำๆ เพื่อที่จะดึงน้ำออกมาได้มาก ขณะเดียวกันในการเก็บรักษาผักผลไม้บางชนิดจำเป็นต้องควบคุมความชื้นสัมพัทธ์ให้มีค่าสูงๆ เพื่อป้องกันมิให้น้ำในผักผลไม้ถูกดึงออกมามาก จนทำให้ผลิตผลเสื่อมคุณภาพ

1.6 ความชื้นจำเพาะ, ปริมาณความชื้น หรืออัตราส่วนความชื้น (Specific humidity, Humidity ratio, Absolute humidity, Humidity ratio also Moisture Content)

คือ มวลของน้ำที่อยู่ในอากาศแห้งคิดต่อ 1 กิโลกรัม หรือ ปอนด์ มีหน่วยเป็น kg H₂O/ kg dry air หรือ g H₂O/ kg dry air ก็ได้ นอกจากนั้นยังมีการใช้ในหน่วยอังกฤษ lb H₂O / lb dry air ด้วย อากาศแห้งที่จะใช้ทำแห้งอาหารควรที่จะมีความแห้งมากๆ อาจจะทำโดยการผ่านอากาศแห้งเข้าไปในฮีทเตอร์ก่อนเข้าไปในเครื่องทำแห้ง เมื่อทำแห้งอาหารเสร็จค่าปริมาณความชื้นของอากาศก็จะเพิ่มสูงขึ้น เนื่องจากอากาศเป็นตัวกลางในการพาน้ำในอาหารออกมานั่นเอง

1.7 เอนทัลปี(Enthalpy)

ค่าพลังงานความร้อนที่มีในอากาศชื้นต่อหนึ่งหน่วยมวลอากาศแห้ง เมื่อเทียบกับค่าความร้อนที่อุณหภูมิอ้างอิง(นิยมใช้ 0^oC ในระบบเมทริกส์)

2. หลักการใช้งานไซโครเมทริกส์ชาร์ท

พารามิเตอร์หรือคุณสมบัติต่างๆของอากาศที่ได้กล่าวมาข้างต้น มีความสัมพันธ์เกี่ยวเนื่องกัน สามารถคำนวณโดยใช้สมการทางคณิตศาสตร์ ไซโครเมทริกส์ชาร์ทที่ระดับความดันหนึ่งๆ สามารถนำมาใช้คำนวณ หรือบอกพิกัดของค่าต่างๆ ได้ เพียงแค่ทราบค่าคุณสมบัติที่อิสระต่อกัน 2 ค่า ก็สามารถหาคุณสมบัติอื่นๆ ทางไซโครเมทริกส์ได้ทั้งหมด

2.1 เส้นอุณหภูมิกระเปาะแห้ง

รูปที่ 3 เส้นอุณหภูมิกระเปาะแห้งในไซโครเมทริกส์ชาร์ท

2.2 เส้นอุณหภูมิกระเปาะเปียก

รูปที่ 4 เส้นอุณหภูมิกระเปาะเปียกในไซโครเมทริกส์ชาร์ท

2.3 เส้นอุณหภูมิจุดน้ำค้าง

รูปที่ 5 เส้นอุณหภูมิจุดน้ำค้างในไซโครเมทริกส์ชาร์ท

2.4 เส้นปริมาตรจำเพาะ

รูปที่ 6 เส้นปริมาตรจำเพาะในไซโครเมทริกส์ชาร์ท

2.5 เส้นความชื้นสัมพัทธ์

รูปที่ 7 เส้นความชื้นสัมพัทธ์ในไซโครเมทริกส์ชาร์ท

2.6 เส้นความชื้นจำเพาะ, อัตราส่วนความชื้น หรือ ปริมาณความชื้น

รูปที่ 8 เส้นความชื้นจำเพาะ, อัตราส่วนความชื้น หรือ ปริมาณความชื้นในไซโครเมทริกส์ชาร์ท

2.7 เส้นเอนทัลปี

รูปที่ 9 เส้นอุณหภูมิกระเปาะแห้งในไซโครเมทริกส์ชาร์ท

นอกจากนี้หากไม่เข้าใจ สามารถเข้าไปดูเว็บไซโครเมทริกส์ชาร์ทสวยๆ ได้ที่ เว็บของ R.Paul Singh ซึ่งจะเป็นแฟลชแอนิเมชัน

รูปที่ 10 ไซโครเมทริกส์ชาร์ท

3. การประยุกต์ใช้ไซโครเมทริกส์ชาร์ท

3.1 การให้ความร้อนหรือการทำเย็นของอากาศ

ในระหว่างการให้ความร้อนแก่อากาศรวมทั้งการทำเย็นอากาศ อันเป็นการเพิ่มหรือลดอุณหภูมิที่ระดับความดันคงที่ โดยไม่มีการเพิ่มหรือกำจัดน้ำออกจากอากาศ ดังนั้นในระหว่างกระบวนการที่เกิดขึ้นนี้ คุณสมบัติของอัตราส่วนความชื้น และ อุณหภูมิจุดน้ำค้าง จะมีค่าคงที่ตลอดในระหว่างกระบวนการเพิ่มหรือลดอุณหภูมิ ดังในรูปที่ 11

ในการให้ความร้อนแก่อากาศ (heating of air)จากอุณหภูมิ T₁ ไปเป็น T₂ ดังรูปที่11 จะพบว่าค่าปริมาณความชื้นมีค่าคงที่ในระหว่างกระบวนการ และค่าความชื้นสัมพัทธ์จะลดลง โดยพลังงานที่ใช้ในการเพิ่มอุณหภูมิของอากาศสามารถหาได้จากผลต่างของเอนทัลปีระหว่าง H₁ และ H₃ การให้ความร้อนแก่อากาศมีประโยชน์มากในการรีไซเคิลอากาศที่ใช้ทำแห้งไปแล้วนำกลับมาหมุนเวียนใช้ใหม่ ด้วยการนำอากาศไปผ่านฮีทเตอร์ให้อุณหภูมิสูงขึ้น ซึ่งทำให้ค่าความชื้นสัมพัทธ์ลดต่ำลง

ส่วนการทำเย็นของอากาศ (cooling of air) จากอุณหภูมิ T₂ ไปเป็น T₃ ดังรูปที่11 จะพบว่าค่าปริมาณความชื้นก็มีค่าคงที่เช่นเดียวกับกระบวนการให้ความร้อน และค่าความชื้นสัมพัทธ์เพิ่มสูงขึ้น พลังงานที่ใช้ในการลดอุณหภูมิของอากาศสามารถหาได้จากผลต่างของเอนทัลปีระหว่าง H₂ และ H₄

รูปที่ 11 การเพิ่มหรือลดอุณหภูมิของอากาศในไซโครเมทริกส์ชาร์ท

3.2 การผสมอากาศ

อากาศ 2 กระแสที่มีสมบัติต่างๆกัน สามารถนำมาผสมกันได้ และใช้ไซโครเมทริกส์ชาร์ทหาสภาวะของอากาศผสมใหม่นี้ได้ โดยสมบัติของอากาศใหม่ที่ได้ย่อมมีสมบัติใกล้เคียงกับอากาศกระแสที่มีมวลมากกว่า วิธีในการหาจุดบนไซโครเมทริกส์ชาร์ทที่อากาศ 2กระแสผสมกัน มีขั้นตอนดังนี้คือ

1) กำหนดจุดบนไซโครเมทริกส์ชาร์ทกับอากาศทั้ง 2กระแส

2) ลากเส้นตรงเชื่อมระหว่างจุดทั้งสอง และวัดระยะห่าง

3) แบ่งเส้นตรงนี้ออกเป็นสัดส่วนกลับกับมวลของอากาศเริ่มต้น ก็จะได้จุดที่อากาศใหม่ผสมกัน ยกตัวอย่างเช่น อากาศ Aมีมวล 2กิโลกรัม อากาศ Bมีมวล 1กิโลกรัม สมมติว่าวัดระยะของจุดบนไซโครเมทริกส์ชาร์ทได้ 3ซม. จุดบนไซโครเมทริกส์ชาร์ทของอากาศใหม่ที่ได้จากการผสมจะอยู่ห่างจุดของอากาศ A 1ซม. หรือ ห่างจากจุดของอากาศ B 2 ซม.นั่นเอง

รูปที่ 12 วิธีการผสมอากาศ 2 กระแสบนไซโครเมทริกส์ชาร์ท

3.3 การทำแห้ง

สมบัติที่มีค่าคงที่ตลอดในระหว่างการทำแห้งคือ ค่าเอนทัลปี และ อุณหภูมิกระเปาะเปียก ในระหว่างการทำแห้งอากาศจะต้องมีพลังงานส่วนหนึ่งที่จะใช้ในการระเหยน้ำจากผิวหน้าของอาหาร ซึ่งมีค่าเท่ากับพลังงานที่ทำให้น้ำระเหยออกจากผิวหน้าอาหาร ที่ผิวหน้าอาหารจะมีอุณหภูมิคงที่อยู่ในช่วงอัตราการทำแห้งคงที่ (Constant rate period) ซึ่งจะมีค่าเท่ากับอุณหภูมิกระเปาะเปียก ดังนี้ในช่วงอัตราการทำแห้งคงที่สามารถที่จะประหยัดค่าเชื้อเพลิงได้ด้วยการ เปิด-ปิดลมร้อนสลับไปมาได้ เพราะถึงแม้ว่าอุณหภูมิลมร้อนจะสูงแต่อุณหภูมิของชิ้นอาหารก็มีค่าเท่ากับอุณหภูมิกระเปาะเปียกเท่านั้น

เมื่อสิ้นสุดการทำแห้งอากาศที่ออกจากกระบวนการจะมีอุณหภูมิลดลงดังรูปที่ 13 และค่าความชื้นสัมพัทธ์ของอากาศก็พื้นขึ้นด้วย

รูปที่ 13 สมบัติอากาศระหว่างการทำแห้งบนไซโครเมทริกส์ชาร์ท