เครื่องอบแห้งพลังงานแสงอาทิตย์แบบร่วมกับการแผ่รังสีอินฟราเรดระยะไกลจากแผ่นเซรามิก

รังสีอินฟราเรด (infrared) เป็นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความยาวคลื่นอยู่ในช่วง 0.75 - 1000 m ความยาวคลื่นในช่วงนี้สามารถแบ่งได้ 3 ระดับ ตามความยาวคลื่น คือ
1. รังสีอินฟราเรดใกล้ (Near infrared, NIR)
2. รังสีอินฟราเรดกลาง (Middle infrared, mid-IR)
3. รังสีอินฟราเรดไกล (Far infrared, FIR)
โดยรังสีอินฟราเรดใกล้จะมีความยาวคลื่นสั้น อินฟราเรดกลางมีความยาวคลื่นปานกลาง และอินฟราเรดไกลมีความยาวช่วงคลื่นมากที่สุด ความยาวช่วงคลื่นในแต่ละระดับมีการกำหนดแตกต่างกันไป Sandhu [1] ได้กำหนดช่วงคลื่นของรังสีอินฟราเรดใกล้อยู่ในช่วง 0.75 – 3 รังสีอินฟราเรดกลางอยู่ในช่วง 3 – 25 และรังสีอินฟราเรดไกลอยู่ในช่วง 25 – 100 ส่วน Sakai และ Hanzawa [2] กำหนดความยาวคลื่นของรังสีอินฟราเรดใกล้ รังสีอินฟราเรดกลาง และรังสีอินฟราเรดไกล อยู่ในช่วง 0.78 – 1.4 1.4 – 3 และ 3 – 1000 ตามลำดับ
การอบแห้งด้วยการแผ่รังสีอินฟราเรด คือ การแผ่รังสีในรูปของแม่เหล็กไฟฟ้าตลอดช่วงความยาวคลื่น รังสีอินฟราเรดจากแหล่งพลังงานความร้อนตกกระทบลงบนผิวของวัสดุแล้วทะลุทะลวงเข้าไปในวัสดุทำให้พลังงานส่วนหนึ่งของการแผ่รังสีถูกวัสดุดูดกลืนเอาไว้และทำให้โมเลกุลของวัสดุเกิดสภาวะสั่นสะเทือนแล้วเปลี่ยนเป็นพลังงานความร้อนขึ้นในวัสดุ ดังนั้นน้ำที่อยู่ในโมเลกุลจะได้รับความร้อนและเกิดการแพร่ไปที่ผิวของวัสดุซึ่งในสภาวะดังกล่าวนี้จะสอดคล้องกับความยาวคลื่นในช่วง 2.5 – 100 หรือในช่วงอินฟราเรดแบบคลื่นยาว (Far – infrared radiation, FIR) โดยทั่วไปแล้วอาหารต่างๆ จะมีส่วนประกอบหลักคือ แป้ง น้ำตาล และโปรตีน ซึ่งส่วนประกอบเหล่านี้มักจะดูดซึมพลังงานจากการแผ่รังสีของรังสีอินฟราเรดคลื่นยาวได้ดีโดยจะมีประสิทธิภาพมากที่สุดบริเวณความยาวคลื่นมากกว่า 2.5 จากรูปที่ 1 อธิบายถึงผลการตกกระทบของรังสีบนผิววัสดุ โดยจะมีพลังงานบางส่วนที่วัสดุได้ดูดซับเอาไว้ในขณะที่บางส่วนอาจถูกสะท้อนกลับออกไปตั้งแต่ที่ผิวและบางส่วนก็อาจจะทะลุผ่าวัสดุไปโดยอาจจะพุ่งไปในแนวทิศทางเดิมหรือมีการหักเหของรังสี

รูปที่ 1 การสูญหายของรังสี

Sandhu ได้กล่าวถึงกลไกการเปลี่ยนแปลงรังสีคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าไปเป็นพลังงานความร้อนภายในตัววัสดุ โดยจำลองการแผ่รังสีอินฟราเรดที่อุณหภูมิห้องเพื่ออบแห้งวัสดุชื้น (moist solid plate) ดังแสดงในรูปที่ 2 รังสีอินฟราเรดแบบโพลีโครแมติกจะแผ่ออกมาตกกระทบบนพื้นผิวของแผ่นวัสดุชื้นด้านหนึ่ง ขณะที่ผิวด้านตรงข้ามจะสมมติว่าเป็นฉนวนแบบอเดียเบติก (adiabatic) มีกระบวนการถ่ายเทความร้อนเป็นแบบ 1 มิติ และเป็นกระบวนการแบบไม่คงตัว (transient process) รังสีอินฟราเรดที่แผ่ออกมาจะถูกแผ่นวัสดุชื้นดูดกลืนทำให้อ่อนกำลังลงตามความลึกซึ่งความลึกดังกล่าวนี้เรียกว่า ความลึกของการอ่อนกำลังลง (depth of attenuation) มีลักษณะเป็นชั้นตื้นๆ (superficial layer) และเป็นบริเวณที่เกิดความร้อนเกือบจะคงที่ ซึ่งโปรไฟล์อุณหภูมิ (temperature profile) จะมีค่าสูงที่สุดในช่วงความลึกของการอ่อนกำลังลงนี้ ขณะเดียวกันจะเกิดการถ่ายเทความร้อนภายในแผ่นของแข็งชื้นโดยพื้นผิว 1 จะสูญเสียพลังงานความร้อนให้กับอากาศโดยการพาความร้อนซึ่งมีค่าน้อยมาก ส่วนพื้นผิวที่ 2 จะเกิดการถ่ายเทพลังงานความร้อนเข้าสู่ภายในแผ่นวัสดุชื้นโดยการนำความร้อน

รูปที่ 2 การอบแห้งด้วยการแผ่รังสีของแผ่นของแข็งชื้น




การดูดกลืนรังสีอินฟราเรดโดยน้ำ (Infrared Absorption by Water)


รูปที่ 3 ย่านการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่สำคัญขององค์ประกอบหลักของอาหารเปรียบเทียบกับสเปคตรัมการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของน้ำในสถานะของเหลว

รังสีอินฟราเรดที่แผ่ไปยังวัสดุส่วนมากจะถูกดูดกลืนโดยชั้นฟิล์มบางๆ ของน้ำ น้ำแข็ง ไอน้ำ หรือสารละลายน้ำ(water solution) ที่มีอยู่ใน capillary ภายในวัสดุหรือโดยไอน้ำที่เกิดขึ้นรอบๆ วัสดุ ซึ่งการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดของน้ำที่สถานะแตกต่างกันจะดูดกลืนรังสีที่ความเข้มแตกต่างกัน Saprrow และ Cess [3] พบว่าไอน้ำที่ 0 C สามารถดูดกลืนรังสีอินฟราเรดที่ความยาวคลื่น 1.14,1.38 และ 1.87 ได้น้อย แต่จะดูดกลืนรังสีที่ความยาวคลื่น 2.7 และ 6.3 ได้ดี ส่วนน้ำในสถานะของเหลว (liquid water) ที่ 25 C จะดูดกลืนรังสีที่ความยาวคลื่น 1.19, 1.43, 1.94, 2.93, 4.72 และ 6.10 ได้น้อย แต่จะดูดกลืนรังสีที่ความยาวคลื่น 3, 4.7, 6 และ 15.3 ได้ดีดังแสดงในรูปที่ 3 สำหรับการดูดกลืนรังสีของไอน้ำที่อุณหภูมิ 27-827 C จะขึ้นอยู่กับมวลไอน้ำ ต่อพื้นที่ ความดันและอุณหภูมิ ส่วนอากาศมีผลกระทบน้อยมากต่อการดูดกลืนรังสีของไอน้ำ นอกจากนี้ยังพบว่าความหนาของฟิล์มน้ำมีผลต่อค่าการดูดกลืนรังสีอินฟราเรด ดังตาราง 1 โดยน้ำในสถานะของเหลวจะเริ่มดูดกลืนรังสีอินฟราเรดตั้งแต่ฟิล์มที่มีขนาดบางๆ และที่ความหนา 10 จะสามารถดูดกลืนรังสีได้ดีที่สุด เมื่อค่าการดูดกลืนรังสีสูงสุดเท่ากับ 1 หมายถึงสามารถดูดกลืนรังสีอินฟราเรดไว้ได้หมด

ตาราง 1 ค่าการดูดกลืนรังสีอินฟราเรดโดยฟิล์มน้ำ
ความหนาของฟิล์ม
(µm) ความยาวคลื่นรังสีอินฟราเรด (µm)
3.0 4.7 6.0 15.3
1.2 0.80 0.04 0.30 -
3.0 0.97 0.10 0.55 -
10.0 1.00 0.35 1.00 1.00



สมรรถนะในการใช้พลังงานของเครื่องอบแห้งด้วยรังสีอินฟราเรดระยะไกล
สมรรถนะการอบแห้งจะประเมินและเปรียบเทียบด้วยความสิ้นเปลืองพลังงาน โดยความสิ้นเปลืองพลังงานจะแปรผันตรงกับอุณหภูมิและระยะเวลาทีใช้ในการอบแห้ง ในที่นี้ได้ยกตัวอย่างการใช้พลังงานในการอบขนมคุกกี้แปรรูปจากข้าวไรซ์เบอรี่ ของวิสาหกิจชุมชนบ้านสร้อยสุวรรณ ตำบลนาบ่อคำ อำเภอเมือง จังหวัดกำแพงเพชร จำนวน 500 กรัม ที่อุณหภูมิ 150 องศาเซลเซียส แสดงดังตารางที่ 2

ตาราง 2 การใช้พลังงานในการอบขนมคุกกี้
รายละเอียด ชนิดของเครื่องอบแห้ง
เครื่องอบแห้งด้วยรังสีอินฟราเรดระยะไกล เครื่องอบแห้งด้วย
ลมร้อน
1. ระยะเวลา (นาที) 28 36
2. ปริมาณเชื้อเพลิงแก๊ส LPG ที่ใช้ (g) 240 457
2. ปริมาณพลังงานทีใช้ (MJ/kg) 11.82 22.51

จากตารางที่ 2 จะเห็นได้ว่าเครื่องอบแห้งด้วยรังสีอินฟราเรดระยะไกลใช้ระยะเวลาและเชื้อเพลิง LPG ในการอบขนมคุกกี้น้อยกว่าเครื่องอบแห้งด้วยลมร้อน สามารถลดปริมาณการใช้พลังงานได้ถึง 47.49% ผลิตภัณฑ์ที่ได้มีสีน้ำตาลอ่อนดูน่ารับประทาน จากการสอบถามความพึงพอใจคุณลักษณะของขนมคุกกี้ที่อบด้วยเครื่องอบแห้งด้วยรังสีอินฟาเรดระยะไกลของสมาชิกกลุ่มวิสาหกิจชุมชนฯ จำนวน 14 คน พบว่า มีความพึงพอใจทางด้านรสชาติมากที่สุดคิดเป็นร้อยละ 100 มีความพึงพอใจทางด้านกลิ่นหอมร้อยละ 92.86 มีความพึงพอใจทางด้านความกรอบร้อยละ 85.71 และมีความพึงพอใจทางด้านสีสวยน่ารับประทานร้อยละ 87.14 ดังรูปที่ 4







(ก) การอบด้วยตู้อบแห้งรังสีอินฟาเรดระยะไกล (ข) การอบด้วยเตาอบเดิม
รูปที่ 4 แสดงขนมคุกกี้ที่ผ่านการอบ



ตาราง 3 เปรียบเทียบเทคโนโลยีที่ใช้ในการอบแห้งระหว่างการอบแห้งแบบอินฟราเรดระยะไกล แบบลมร้อน และแบบปั๊มความร้อน
เทคโนโลยีที่ใช้ในการอบแห้ง
แบบอินฟราเรดระยะไกล แบบลมร้อน แบบปั๊มความร้อน
- สามารถอบแห้งได้ตั้งแต่อุณหภูมิต่ำ 40 องศาเซลเซียส จนถึงการอบอาหารที่มากกว่า 300 องศาเซลเซียส
- เกิดการส่งผ่านคลื่นเข้าไปสร้างความร้อนภายในวัสดุจากการแผ่รังสีความร้อนในขณะที่ภายนอกก็ได้รับความร้อนจากการพาความร้อน ซึ่งมีผลทำให้วัสดุแห้งทั้งภายในและภายนอกเท่ากันและลดการถูกทำลายของผิววัสดุอบ
- จากการที่สามารถสร้างความร้อนภายในจึงทำให้เกิดการส่งผ่านความชื้นจากภายในสู่ภายนอกได้อย่างต่อเนื่อง ทำให้มีค่า Drying rate สูง จึงทำให้ใช้เวลาในการอบแห้งน้อยเมื่อเทียบกับเทคโนโลยีอื่น
- เป็นเทคโนโลยีที่ประหยัดพลังงาน
- สามารถออกแบบให้มีหลายขนาดตั้งแต่ขนาดเครื่องอบไมโครเวฟ จึงถึงโรงอบแห้งขนาดใหญ่
- สามารถรักษาคุณภาพของวัสดุอบทั้งสี กลิ่น และรสชาติได้ดีในหลายผลิตภัณฑ์ ตั้งแต่ ชา จนถึงการอบอาหาร เช่น อบ
สเต็ก คุกกี้
- ราคาไม่สูงขึ้นอยู่กับการออกแบบ และการเลือกใช้วัสดุในการสร้างเครื่อง
- วัสดุทุกชิ้นสามารถหาได้ในประเทศไทย - ช่วงการอบแห้งไม่เกิน 100องศาเซลเซียส
- วัสดุได้รับความร้อนจากการพาจึงทำให้ผิววัสดุอบแห้งปิดลงก่อนที่ภายในวัสดุอบจะแห้ง
- สูญเสียพลังงานความร้อนไปในขณะรอให้น้ำเคลื่อนตัวอออกมาที่ผิวของผลิตภัณฑ์
- ใช้ระยะเวลาในการอบแห้งนาน
- ใช้พื้นที่มากในการติดตั้งเครื่องอบแห้ง
- สูญเสียคุณค่าทางอาหารได้ง่าย เนื่องจากใช้ความร้อนสูงในการอบแห้ง
- ราคาไม่แพงขึ้นอยู่กับการเลือกใช้วัสดุในการสร้างเครื่อง
- อุณหภูมิอบแห้งต่ำ อยู่ระหว่าง 25–70 องศาเซลเซียส
- ใช้ความร้อนร่วมกับความดันจึงทำให้อบวัสดุได้ในขณะที่ใช้อุณหภูมิต่ำ
- เหมาะสำหรับวัตถุดิบที่ไวต่อความร้อนที่ต้องใช้อุณหภูมิต่ำ
- สามารถลดความชื้นได้ต่ำกว่าการใช้ตู้อบลมร้อนที่ใช้อุณหภูมิอบแห้งเดียวกัน
- ประหยัดเวลาในการอบแห้งเมื่อเทียบกับการอบด้วยลมร้อน
- ใช้กระแสไฟฟ้าเป็นแหล่งพลังงาน มีค่าใช้จ่ายด้านพลังงานสูง
- ยังคงเป็นเทคโนโลยีที่ราคาสูงอยู่

จากตารางที่ 3 เป็นการเปรียบเทียบเทคโนโลยีที่ใช้ในการอบแห้งระหว่างการอบแห้งแบบอินฟราเรดระยะไกล แบบลมร้อน และแบบปั๊มความร้อน เมื่อทำการอบแห้งผลิตภัณฑ์ชนิดเดียวกัน อุณหภูมิเท่ากัน การอบแห้งแบบอินฟราเรดระยะไกลจะช่วยประหยัดพลังงานได้ ถึงประมาณ 50% ใช้ระยะเวลาในการอบแห้งน้อยกว่า และผลิตภัณฑ์มีกลิ่นหอม และมีคุณภาพดีกว่าการอบแห้งแบบลมร้อนและแบบปั๊มความร้อน