Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo máy sấy thăng hoa năng suất 1,5kg mẻ đồ án tốt nghiệp ngành công nghệ kỹ thuật nhiệt

TỔNG QUAN

Tổng quan về sấy thăng hoa

Sấy là quá trình loại bỏ độ ẩm, chủ yếu là nước và hơi nước, từ vật liệu để bảo quản tốt hơn, tăng độ bền, giảm trọng lượng và chi phí vận chuyển, đồng thời nâng cao giá trị cảm quan của sản phẩm Có nhiều phương pháp sấy khác nhau, được phân loại dựa trên cách cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy.

Sấy đối lưu là phương pháp sấy mà vật liệu nhận nhiệt thông qua quá trình truyền nhiệt từ chất mang nhiệt độ cao, thường là không khí nóng hoặc khói Các hình thức sấy đối lưu phổ biến bao gồm sấy buồng, sấy hầm và sấy thùng quay.

Sấy tiếp xúc là phương pháp trong đó vật liệu sấy trao đổi nhiệt với bề mặt nóng, có thể là rắn hoặc lỏng Các hình thức sấy tiếp xúc phổ biến bao gồm sấy lô quay và sấy dầu.

- Sấy bức xạ: Vật liệu sấy nhận nhiệt từ nguồn nhiệt bức xạ Nguồn bức xạ thường dùng là đèn hồng ngoại, thanh điện trở…

Sấy bằng điện cao tần là phương pháp sử dụng năng lượng điện tần số cao để làm nóng vật liệu sấy Khi vật liệu được đặt trong từ trường điện từ, dòng điện sẽ xuất hiện trong vật, làm cho nó nóng lên hiệu quả.

Dựa vào nhiệt độ sấy mà chúng ta có hai phương pháp sấy chính: sấy ở nhiệt độ cao và sấy ở nhiệt độ thấp

Sấy ở nhiệt độ cao là quá trình mà tác nhân sấy được gia nhiệt lên mức cao hơn nhiều so với nhiệt độ môi trường xung quanh Các phương thức gia nhiệt được áp dụng trong quá trình này rất đa dạng và hiệu quả.

Sấy ở nhiệt độ thấp là phương pháp sấy diễn ra ở mức nhiệt thấp hơn so với các phương pháp thông thường Quá trình này có thể sử dụng tác nhân sấy được làm lạnh để tách ẩm (sấy lạnh) hoặc thực hiện trong môi trường chân không (sấy chân không, sấy thăng hoa).

Sấy thăng hoa là một trong những phương pháp sấy tiên tiến nhất hiện nay, diễn ra trong điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp, thấp hơn điểm ba thể của nước Quá trình bắt đầu bằng việc làm lạnh sản phẩm để đóng băng hoàn toàn nước bên trong, sau đó buồng sấy được hút chân không để đưa nước xuống dưới điểm ba thể Tiếp theo, quá trình cấp nhiệt ở chân không diễn ra, khiến nước trong vật thăng hoa và thoát ra mà không làm thay đổi nhiệt độ của sản phẩm Cuối cùng, quá trình bay hơi ẩm còn lại diễn ra tương tự như sấy chân không thông thường Ưu điểm của sấy thăng hoa là giữ được chất lượng, hương vị và vitamin của sản phẩm nhờ sấy ở nhiệt độ thấp Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm như chi phí thiết bị cao, vận hành phức tạp và tiêu hao điện năng lớn.

1.1.2 Lý thuyết sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa là quá trình loại bỏ độ ẩm khỏi vật liệu thông qua sự thăng hoa của nước, tức là chuyển đổi trực tiếp từ thể rắn sang thể hơi Ở điều kiện bình thường, độ ẩm trong thực phẩm tồn tại ở dạng lỏng, do đó, để thực hiện quá trình thăng hoa, thực phẩm cần được đông lạnh trước Vì lý do này, phương pháp này còn được gọi là sấy lạnh đông (Freeze Drying hay Lyophilisation).

Quá trình sấy thăng hoa trải qua 3 giai đoạn chính : giai đoạn làm lạnh, giai đoạn thăng hoa và giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại

Khi ẩm trong vật liệu sấy ở trạng thái đóng băng được gia nhiệt đẳng áp đến một nhiệt độ nhất định, nước sẽ thăng hoa Theo giản đồ, áp suất càng thấp thì nhiệt độ thăng hoa của nước càng giảm Do đó, khi cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy ở áp suất thấp, độ chênh lệch nhiệt độ giữa nguồn nhiệt và vật liệu sấy sẽ tăng lên.

Hình 1.1: Giản đồ trạng thái pha của nước Giai đoạn làm lạnh (giai đoạn lạnh đông):

Trong giai đoạn này, vật liệu sấy được làm lạnh từ nhiệt độ môi trường khoảng

Khi nhiệt độ giảm từ 20°C xuống 30°C đến khoảng -10°C đến -15°C, nước trong thực phẩm sẽ gần như hoàn toàn đóng băng Mỗi loại thực phẩm có nhiệt độ đông lạnh khác nhau, nhưng cần đảm bảo rằng nước bên trong đạt gần 100% sự đông kết Trong giai đoạn này, lượng ẩm thoát ra rất ít, chủ yếu là do sự bay hơi và thăng hoa nước trên bề mặt thực phẩm Hiện tượng thoát ẩm này xảy ra do chênh lệch áp suất riêng phần của hơi nước trong không khí xung quanh và lớp không khí gần bề mặt thực phẩm.

Sự chênh lệch nhiệt độ giữa thực phẩm đông lạnh và môi trường xung quanh là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng bay hơi ẩm, nhằm đạt trạng thái cân bằng nhiệt Trong giai đoạn này, lượng ẩm thoát ra từ thực phẩm có thể dao động từ 4% đến 10% Nếu có áp dụng phương pháp hút chân không, chênh lệch áp suất riêng phần hơi nước giữa thực phẩm và môi trường sấy sẽ trở nên lớn hơn, góp phần tăng cường hiệu quả quá trình sấy.

Có hai cách làm lạnh đông vật liệu đƣợc tiến hành trong sấy thăng hoa :

Sử dụng thiết bị làm lạnh để đông sản phẩm bên ngoài buồng sấy thăng hoa là một phương pháp hiệu quả, sau đó chuyển sản phẩm vào buồng để thực hiện quá trình hút chân không.

Cách thứ hai để sấy vật liệu là sử dụng phương pháp lạnh đông trong buồng sấy thăng hoa Quá trình hút chân không có thể bắt đầu ngay sau khi hoàn tất lạnh đông hoặc diễn ra đồng thời với quá trình này, trong đó cấp đông được thực hiện thông qua trao đổi nhiệt tiếp xúc trực tiếp do môi trường chân không.

Trong giai đoạn làm lạnh đông, sản phẩm cần được đông lạnh nhanh chóng để hình thành các tinh thể băng nhỏ, nhằm giảm thiểu thiệt hại cho cấu trúc tế bào Đối với sản phẩm dạng lỏng, phương pháp đông lạnh chậm được áp dụng, cho phép băng tạo thành từng lớp, tạo ra các kênh giúp hơi nước di chuyển dễ dàng hơn.

Bảng 1.1: Quan hệ giữa áp suất (P th ) với nhiệt độ (T th ) thăng hoa của nước đá

Hình 1.2: Quan hệ giữa áp suất với nhiệt độ thăng hoa của nước đá

Giai đoạn tách ẩm chính trong phương pháp sấy thăng hoa diễn ra khi sản phẩm đạt nhiệt độ cấp đông và quá trình cấp đông được ngừng lại Lúc này, bơm chân không hoạt động, làm giảm áp suất trong buồng sấy xuống nhanh chóng, tạo ra môi trường chân không với áp suất ổn định (0,1 mmHg ÷ 1 mmHg) Sự chênh lệch áp suất giữa hơi nước trong thực phẩm và áp suất hơi nước trong môi trường sấy rất lớn, giúp quá trình tách ẩm diễn ra hiệu quả.

Tổng quan vật liệu sấy

Chuối là loại trái cây phổ biến thứ hai trên thế giới, chỉ sau trái cây họ cam quýt, và chiếm khoảng 16% tổng sản lượng trái cây toàn cầu Tại Việt Nam, có nhiều loại chuối khác nhau, nhưng ba loại chính được trồng phổ biến nhất.

Bảng 1.2: Thống kê sản lượng của một số loại trái cây chính trên thế giới.[33]

Loại trái cây Sản lƣợng (tấn) Phần trăm sản lƣợng (%)

Chuối sứ là loại chuối phổ biến ở Việt Nam, với nhiều màu sắc và kích cỡ khác nhau tùy thuộc vào giống Khi chín, quả chuối có vỏ màu vàng sáng, thịt quả rắn và hương vị ngọt thơm Đặc biệt, vỏ chuối sứ khi chín không nhũn như các loại chuối khác, giúp việc vận chuyển trở nên thuận tiện hơn Thời gian từ khi trồng đến khi thu hoạch khoảng 13 đến 14 tháng, mỗi buồng chuối có từ 10 đến 12 nải và nặng từ 40 đến 45 kg.

Chuối là một loại trái cây giàu dinh dưỡng, dễ chế biến và dễ tiêu hóa hơn nhiều loại trái cây khác Nó chứa nhiều Kali, Canxi và có hàm lượng Natri thấp, cùng với các vitamin quan trọng như A, C, E, B12 và niacin (Vitamin B3).

Vì chứa lƣợng protein và carbohydrate cao nên chuối đƣợc xem nhƣ một thực phẩm rất giàu năng lƣợng Ngoài ra, chuối còn có các công dụng khác

Chuối là thực phẩm tuyệt vời cho hệ tiêu hóa, giúp cải thiện chức năng nhu động ruột và giảm thiểu tình trạng táo bón Đồng thời, chuối cũng cung cấp các chất điện giải quan trọng, hỗ trợ cơ thể trong trường hợp bị tiêu chảy.

Acid béo trong chuối xanh hỗ trợ nuôi dưỡng tế bào dạ dày, giúp tăng cường khả năng hấp thụ canxi Điều này rất quan trọng cho sự phát triển khỏe mạnh của hệ xương.

Chất tryptophan amino acid có trong chuối đƣợc chuyển đổi thành chất serotonin, giúp giảm thiểu các triệu chứng về thần kinh nhƣ trầm cảm hoặc căng thẳng

Sử dụng chuối thường xuyên giúp giảm nguy cơ bị thoái hóa điểm vàng, một trong những nguyên nhân gây giảm thị lực ở người già

Ăn chuối không chỉ giúp giảm nguy cơ cao huyết áp và đột quỵ, mà còn hỗ trợ trong việc phòng ngừa bệnh thiếu máu, chống lão hóa và giảm thiểu nguy cơ mắc ung thư.

Chuối sấy là sản phẩm chế biến từ chuối tiêu và chuối sứ, nổi bật với thịt chắc, vị ngọt vừa phải và giá cả hợp lý Đây là một món ăn nhẹ tiện lợi và giàu dinh dưỡng, có khả năng bảo quản lâu ở nhiệt độ phòng Phương pháp sấy chân không giúp giữ nguyên giá trị dinh dưỡng của chuối, làm cho chuối sấy trở thành lựa chọn lý tưởng cho sức khỏe.

Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại chuối sấy khác nhau như chuối sấy dẻo, chuối sấy giòn (sấy chân không) và chuối sấy khô Bên cạnh những kiểu sấy cơ bản, còn có các loại chuối sấy được bổ sung thêm hương vị, tạo nên sự đa dạng cho sản phẩm.

Chuối sấy dẻo được sản xuất bằng cách duy trì nhiệt độ sấy từ 50°C đến 70°C, tương đương với việc phơi sản phẩm dưới nắng trong một khoảng thời gian nhất định Sau khi đạt được độ khô mong muốn, chuối sẽ được làm nguội và đóng gói Quá trình sấy dẻo không sử dụng dầu chiên, do đó sản phẩm không bị thấm dầu hay caramen hóa.

Tính cấp thiết của đề tài

Sự phát triển của kinh tế toàn cầu đã làm tăng nhu cầu dinh dưỡng đa dạng và cao cấp của người tiêu dùng, từ việc “ăn no, mặc ấm” đến “ăn ngon, mặc đẹp” Để đảm bảo chất lượng và hương vị thực phẩm, việc bảo quản, chế biến và giữ gìn vệ sinh thực phẩm cần phải đáp ứng những tiêu chuẩn khắt khe Sản phẩm sau chế biến không chỉ phải giữ nguyên tính chất tươi sống mà còn phải có khả năng bảo quản lâu dài, phục vụ nhu cầu trong nước và xuất khẩu Việt Nam, với khí hậu nhiệt đới thuận lợi, có tiềm năng phát triển nông nghiệp và trồng nhiều loại rau quả, nhưng giá trị kinh tế từ nông sản vẫn còn thấp do chủ yếu xuất khẩu ở dạng tươi và chế biến thô sơ Do đó, công nghệ sấy đóng vai trò quan trọng trong sản xuất và chế biến thực phẩm, với nhiều phương pháp khác nhau, trong đó sấy thăng hoa là một trong những kỹ thuật tiên tiến nhất hiện nay, mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.

Công nghệ sấy thăng hoa đã được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi tại nhiều quốc gia như Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản và Hàn Quốc Tại Việt Nam, công nghệ này đang thu hút sự quan tâm của các nhà khoa học cũng như các công ty trong lĩnh vực thực phẩm và hóa dược.

Trên thị trường Việt Nam hiện nay, có nhiều sản phẩm máy sấy thăng hoa, chủ yếu là nhập khẩu, bên cạnh một số sản phẩm nội địa Tuy nhiên, giá thành của những máy này thường cao và năng suất lớn, nên chỉ phù hợp cho quy mô doanh nghiệp.

Nhóm nghiên cứu đã thực hiện đề tài “Nghiên cứu, tính toán, thiết kế và chế tạo máy sấy thăng hoa năng suất 1,5 kg/mẻ” với mục tiêu phát triển một sản phẩm máy sấy thăng hoa mini có năng suất nhỏ và giá thành hợp lý, phù hợp cho quy mô gia đình Đề tài không chỉ giúp củng cố kiến thức đã học mà còn đánh giá tính khả thi của máy sấy thăng hoa mini.

Mục đích của đề tài

- Tìm hiểu, tổng hợp kiến thức về công nghệ, kỹ thuật sấy thăng hoa

- Nghiên cứu, thiết kế máy sấy thăng hoa sấy năng suất 1,5 kg/mẻ

- Chế tạo, vận hành, đánh giá máy sấy thăng hoa.

Đối tƣợng nghiên cứu

- Hệ thống máy sấy thăng hoa năng suất 1,5 kg/mẻ

- Vật liệu sấy: sử dụng chuối sứ làm vật liệu thí nghiệm.

Phạm vi nghiên cứu

Tính toán, thiết kế, chế tạo, vận hành, đánh giá hệ thống sấy thăng hoa năng suất 1,5 kg/mẻ trong điều kiện thành phố Hồ Chí Minh

Thời gian thực hiện: từ tháng 4 đến tháng 7 năm 2019.

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp tổng quan tài liệu: Thông qua các bài báo khoa học, giáo trình, tài liệu chuyên khảo về kỹ thuật sấy, công nghệ sấy thăng hoa

- Phương pháp tính toán lý thuyết: Tính toán, thiết kế hệ thống máy sấy thăng hoa theo kiến thức tổng hợp từ tài liệu

Phương pháp thực nghiệm bao gồm việc xây dựng mô hình và tiến hành thí nghiệm trên mô hình đó Qua quá trình này, chúng ta sẽ phân tích và đánh giá các giá trị thực nghiệm thu được từ việc vận hành thực tế, nhằm phục vụ cho các mục đích nghiên cứu và ứng dụng.

12 cho việc tính toán và đối chiếu, điều chỉnh với tính toán lý thuyết, bàn luận, kết luận và đƣa ra kiến nghị.

Tình hình nghiên cứu

1.8.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Hiện nay, công nghệ sấy thăng hoa đang được các nhà sản xuất và nhà khoa học nghiên cứu và hoàn thiện không ngừng Phương pháp này đã được ứng dụng rộng rãi và đóng vai trò quan trọng trong nhiều lĩnh vực như hóa học, sinh học, y học, đặc biệt là trong ngành công nghệ thực phẩm.

Nghiên cứu của Lin và các cộng sự đã chỉ ra rằng việc sử dụng bức xạ hồng ngoại trong quá trình sấy thăng hoa khoai lang giúp giảm đáng kể thời gian sấy so với phương pháp truyền thống sử dụng điện trở và môi chất nóng.

Ucar và Karadag đã nghiên cứu tác động của sấy chân không và sấy thăng hoa đối với tính chất hóa lý của nấm bào ngư Hai phương pháp này được so sánh qua các đặc điểm vật lý như màu sắc, khả năng hoàn nguyên, cũng như hàm lượng các hợp chất phenolic và hoạt chất chống oxy hóa Kết quả cho thấy, sấy thăng hoa giữ lại tổng hàm lượng axit amin và hoạt chất chống oxy hóa cao hơn đáng kể so với sấy chân không, đồng thời cải thiện màu sắc và khả năng hoàn nguyên Do đó, sấy thăng hoa được xác định là phương pháp ưu việt hơn để bảo quản nấm bào ngư.

Khoai tây tươi của Trung Quốc khó bảo quản và dễ hỏng, vì vậy sấy thăng hoa thường được áp dụng để sản xuất khoai chiên chất lượng cao Tuy nhiên, thời gian sấy thường kéo dài, không phù hợp với quy mô công nghiệp Nghiên cứu của Duan và các cộng sự đã chỉ ra rằng việc sử dụng vi sóng thay thế cho điện trở trong giai đoạn sấy giúp rút ngắn thời gian sấy thăng hoa Kết quả cho thấy các đặc tính cấu trúc như độ giòn, độ cứng và thành phần của khoai vẫn được duy trì tốt, tương tự như khi sấy bằng điện trở.

Harguindeguy và Fissore đã nghiên cứu và so sánh ảnh hưởng của phương pháp sấy thăng hoa và sấy lạnh đối với các tính chất dinh dưỡng của thực phẩm Trong quá trình sấy, các công nghệ như sóng siêu âm, vi sóng và tia hồng ngoại cũng được áp dụng Kết quả cho thấy sấy thăng hoa giữ lại vitamin tốt nhất trong hầu hết các thử nghiệm, trong khi việc kết hợp sấy thăng hoa với tia hồng ngoại hoặc vi sóng có thể rút ngắn thời gian sấy Hàm lượng các hợp chất chống oxy hóa được bảo toàn tương đối giống nhau ở cả hai phương pháp sấy lạnh và sấy thăng hoa.

Công nghệ sấy thăng hoa đã phát triển mạnh mẽ và được áp dụng rộng rãi trên quy mô công nghiệp tại nhiều quốc gia, nhờ vào việc chuyển giao và mua công nghệ từ các nước tiên tiến Nhiều công ty trên thế giới đã thành công trong việc chế tạo và ứng dụng phương pháp này.

- Trung Quốc: Beijing YshiyuanFood, Shandong Tonghai Food, Xinghua Natural Foods, Sinochem Qingdao,…

- Mỹ: Harvest Right, Lapconco, Martin Christ,…

- Đài Loan: Howenia Enterprise Co Ltd

- Thái Lan: Cha-Liang, Thiptipa

1.8.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Ở Việt Nam, khi người Mỹ đến Việt Nam họ đã mang theo công nghệ sấy thăng hoa vào với mục đích phục vụ chiến tranh Sau ngày đất nước thống nhất, công nghệ này không đƣợc tiếp tục nghiên cứu và phát triển; chúng chỉ đƣợc ứng dụng trong một số trung tâm, viện nghiên cứu phục vụ cho nghiên cứu khoa học về công nghệ sinh học, y dƣợc, phân tích,…

Công nghệ sấy thăng hoa đã thu hút sự chú ý từ năm 1999, nhưng vẫn còn nhiều hạn chế trong việc nghiên cứu và ứng dụng Hiện nay, việc sử dụng sấy thăng hoa để bảo quản sản phẩm dược, thực phẩm và chế phẩm sinh học vẫn chưa phổ biến, do hệ thống còn gặp khó khăn trong việc triển khai.

Sấy thăng hoa là một công nghệ tiên tiến nhưng có chi phí đầu tư cao, khiến cho nhiều nhà khoa học gặp khó khăn trong việc đầu tư thiết bị nghiên cứu Điều này dẫn đến việc ứng dụng và triển khai công nghệ sấy thăng hoa vào thực tế sản xuất trở nên hạn chế.

Thị trường rau quả sấy thăng hoa tại Việt Nam hiện vẫn còn hạn chế, mặc dù nhu cầu lớn Các công ty chế tạo thiết bị trong nước đã phát triển máy sấy thăng hoa công nghiệp, nhưng vẫn chưa hoàn thiện về kỹ thuật và công nghệ, như độ chân không và hệ thống điều khiển tự động Một số công ty như Hai Tấn, Tech Mart, Bạch Mã, Nhất Phú Thái, và Tân Tiến đang cung cấp máy sấy thăng hoa, nhưng phần lớn sản phẩm vẫn nhập khẩu từ nước ngoài, mặc dù đã có một số sản phẩm nội địa tương đối hoàn thiện.

Nhiều trường đại học tại Việt Nam, như Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Trường Đại học Nông Lâm TP.HCM, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM và Trường Đại học Văn Lang, đang tích cực nghiên cứu và phát triển thiết bị sấy thăng hoa Một số chuyên gia trong lĩnh vực này đã chế tạo thành công máy sấy thăng hoa công nghiệp và chuyển giao công nghệ cho các doanh nghiệp.

Trần Đức Ba đã phát triển thành công máy sấy thăng hoa chuyên dụng trong chế biến thực phẩm, với năng suất đạt 2 kg sản phẩm mỗi mẻ Máy có khả năng sấy nhiều loại thủy hải sản như tôm, sò huyết, hàu, cùng với các loại rau quả như dâu tây, gấc, sầu riêng, và các sản phẩm khác như sữa ong chúa, cơm dừa, lô hội, bột lá dứa, bột lá cẩm Sau khi sấy, sản phẩm giữ độ ẩm khoảng 10%, protein không bị biến tính, và vẫn giữ nguyên màu sắc cũng như hương vị gần như nguyên vẹn.

Nguyễn Trường Lợi và các cộng sự đã phát triển thiết bị sấy thăng hoa công suất 50 kg/mẻ, được chuyển giao cho công ty TNHH công nghệ thực phẩm Minh Anh tại Bình Dương Hệ thống này hoạt động tự động với điều khiển PLC, áp suất chân không trong quá trình sấy thăng hoa không vượt quá 4 torr và nhiệt độ buồng ngưng tụ đạt -40 độ C Đặc biệt, giá thành của thiết bị chỉ bằng khoảng một nửa so với các sản phẩm cùng công suất nhập khẩu từ nước ngoài.

Nguyễn Tấn Dũng và nhóm nghiên cứu của ông đã phát triển thành công máy sấy thăng hoa DS-10 vào năm 2017, nổi bật với hệ thống cấp nhiệt bằng thiết bị hồi nhiệt, giúp tối ưu hóa năng lượng và tiết kiệm chi phí Máy sấy này có hai chế độ hoạt động: sấy tự làm lạnh đông sản phẩm và sấy các sản phẩm đã được cấp đông riêng Với năng suất 35kg nước ngưng/24h, máy có thể xử lý khoảng 50kg đến 70kg nguyên liệu mỗi mẻ, tùy thuộc vào loại sản phẩm và hàm lượng ẩm Nhiệt độ lạnh đông sản phẩm dao động từ -45 o C đến -35 o C, trong khi nhiệt độ môi trường sấy từ -45 o C đến 30 o C.

Hệ thống sấy thăng hoa hoạt động hiệu quả trong khoảng nhiệt độ từ -45 o C đến -35 o C, với áp suất môi trường từ 0,001 mmHg đến 4,58 mmHg Đặc biệt, hệ thống được trang bị công nghệ Internet of Things (IoT), cho phép chủ doanh nghiệp điều khiển và giám sát quá trình sấy từ xa, dù ở bất kỳ đâu Chi phí đầu tư cho hệ thống này chỉ bằng 1/6 đến 1/4 so với các máy sấy nhập khẩu có cùng năng suất, mang lại lợi ích kinh tế đáng kể cho doanh nghiệp.

TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY

Tính toán sơ bộ

Vật liệu sấy: Chuối sứ Độ ẩm vật liệu trước khi sấy: W1 = 70% (thực nghiệm) Độ ẩm vật liệu sau khi sấy: W 2 = 10%

Khối lƣợng riêng vật liệu sấy: = 997 kg/m 3 [25]

Nhiệt dung riêng vật liệu sấy:

Nhiệt dung riêng của chất thứ j, ký hiệu là c j (J/kg.K), được xác định theo tỷ lệ phần trăm của chất này trong nguyên liệu sinh học X tp j Nguyên liệu sinh học chủ yếu bao gồm nước, protein, gluxit, lipit, khoáng chất (tro) và các hợp chất đa lượng khác.

Thành phần sinh học của chuối: 70% nước, 26% gluxit, 3% protein, và 1% lipit [25]

Nhiệt dung riêng chất khô:

Khối lƣợng sản phẩm sấy mỗi mẻ: G 1 = 1,5kg

Thời gian mỗi mẻ sấy: t = 28 h

Khối lƣợng sản phẩm sau khi sấy: 1 2

Khối lƣợng ẩm bốc hơi: G a = G 1 – Gsp = 1,5 – 0,5 = 1kg (2.4)

Thời gian, nhiệt độ và khối lƣợng ẩm bốc hơi trong từng giai đoạn: Ở giai đoạn lạnh đông:

Thời gian lạnh đông là: t lđ = 5 h

Phần trăm lƣợng ẩm bốc hơi là : W a1 = 10 % [8]

Nhiệt độ buồng lạnh đông của tủ cấp đông: t bl = –20 o C

Nhiệt độ trung bình của sản phẩm khi cấp đông là: t 2 = –15 o C Ở giai đoạn thăng hoa:

Thời gian thăng hoa theo thực nghiệm trải qua từng giai đoạn từ t th = 15h → t th = 23h Phần trăm lƣợng ẩm bốc hơi là: W a2 = 75 % [8] Ở giai đoạn sấy chân không

Thời gian sấy chân không là: t ck = 1 h

Phần trăm lƣợng ẩm bốc hơi là: W a3 = 15 % [8]

Nhiệt độ điện trở bức xạ: t đn = 35 o C

Môi chất lạnh sử dụng là: R404A

Tính toán kích thước buồng sấy

Tính chọn kích thước khay sấy

L k = 600 mm: chiều dài khay sấy, mm

W k = 40 mm: Chiều rộng khay sấy, mm

H k = 250 mm : Chiều cao khay sấy, mm

Theo kết quả thực nghiệm, mỗi khay chứa vật liệu sấy có kích thước nhất định có khả năng chứa 0,375 kg vật liệu Do đó, số lượng khay sấy cần thiết để lưu trữ toàn bộ vật liệu sấy sẽ được tính toán dựa trên tổng khối lượng vật liệu cần sấy.

N ks khay (2.5) Để bố trí được 4 khay sấy vào buồng sấy, kích thước của buồng sấy và khung để khay sấy đƣợc tính toán nhƣ hình 2.2

Buồng thăng hoa, hay còn gọi là buồng lạnh đông vật liệu sấy, có thiết kế hình trụ với đường kính trong D1 m, đường kính ngoài D2 m, và đường kính lớp cách nhiệt D3 m, cùng với chiều dài L m.

Lớp inox có chiều dày 3mm, suy ra đường kính ngoài của buồng sấy:

Bề dày lớp bảo ôn 60mm, suy ra đường kính tính đến lớp cách nhiệt:

Thể tích trong buồng sấy:

Hình 2.2: Kích thước khay sấy và buồng

Tính tải nhiệt cho quá trình cấp đông

Nhiệt lượng cung cấp cho tủ cấp đông cần đảm bảo công suất lạnh của hệ thống lạnh, nhằm tải hết lượng nhiệt Q phát sinh từ sản phẩm trong quá trình cấp đông ra ngoài môi trường.

: Hệ số an toàn Chọn β = 1,5 t: Thời gian một mẻ cấp đông, s

Q sp : Nhiệt cấp cho quá trình cấp đông, kJ

Q vk : Nhiệt tổn thất do làm lạnh vỏ buồng sấy và khay, kJ

Q kk :Nhiệt tổn thất do làm lạnh không khí trong buồng, kJ

Q mt : Nhiệt tổn thất ra môi trường, kW

2.3.1 Tổn thất nhiệt cho quá trình cấp đông

Trong quá trình tính toán, các thông số quan trọng được sử dụng bao gồm: nhiệt độ ban đầu của sản phẩm t1 = 30 °C, nhiệt độ sản phẩm cuối sau khi cấp đông t2 = -18 °C, và nhiệt độ trung bình của nước trong thực phẩm đóng băng tđb = -1,5 °C.

C đ = 340 kJ/kg: Nhiệt ẩn đông đặc của nước [8]

C b = 2,108 kJ/kgK: Nhiệt dung riêng của băng [8]

Nhiệt cấp cho quá trình cấp đông:

Q 1 - Lƣợng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ sản phẩm từ nhiệt độ ban đầu đến nhiệt độ đóng băng của nước trong sản phẩm

Q 2 - Lượng nhiệt lấy ra để toàn bộ nước trong sản phẩm đóng băng

Q 3 - Lƣợng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ của băng đến nhiệt độ cuối cùng của quá trình cấp đông

Q 4 - Lƣợng nhiệt cần thiết lấy ra để làm giảm nhiệt độ của thành phần chất khô

Nhƣ vậy nhiệt cấp cho quá trình cấp đông sản phẩm là:

2.3.2 Nhiệt tổn thất do làm lạnh vỏ buồng sấy và khay

Ta có các thông số phục vụ cho quá trình tính toán:

C inox = 0,5 kJ/kgK - Nhiệt dung riêng của inox

G vb = 24,77 kg: Khối lƣợng vỏ buồng sấy

G k = 5,9 kg: Khối lƣợng các khay sấy

Nhiệt tổn thất do làm lạnh vỏ buồng sấy:

Q vb = G vb C inox (t 1 - t bl ) = 24,77.0,5.[30-(-30)] = 742,98 kJ (2.13) Nhiệt tổn thất do làm lạnh khay sấy:

Q k = G k C inox (t 1 - t bl ) = 5,9.0,5.[30-(-25)] = 162,24 kJ (2.14) Nhiệt tổn thất do làm lạnh vỏ buồng sấy và khay:

2.3.3 Nhiệt tổn thất do làm lạnh không khí trong buồng sấy

Nhiệt tổn thất do làm lạnh không khí trong buồng sấy đƣợc tính theo công thức:

Q kk = G kk (h 1 – h 2 ), kJ (2.16) Trong đó:

G kk : lƣợng không khí có trong buồng sấy lúc chƣa hút chân không, kg

G kk = V bs ρkk = 0,122.1,165 = 0,142 kg (2.17) Trong đó, h1 là entalpy của không khí ban đầu trước khi tiến hành cấp đông (kJ/kg), còn h2 là entalpy của không khí khi kết thúc quá trình cấp đông (kJ/kg).

Không khí ban đầu có nhiệt độ t = 30 0 C và độ ẩm tương đối Tra đồ thị h–d không khí ẩm suy ra: h 1 = 85,475 kJ/kg

Không khí sau quá trình cấp đông có nhiệt độ t = -25 0 C và độ ẩm tương đối Tra đồ thị h–d không khí ẩm suy ra: h 2 = -29,646 kJ/kg

Hình 2.3: Kết cấu thân và đáy buồng sấy

2.3.4 Nhiệt tổn thất ra môi trường

Nhiệt tổn thất ra môi trường: Q mt = Q v + Q c , kW (2.18)

Q v : Nhiệt tổn thất qua vách buồng, kJ

Q c : Nhiệt tổn thất qua vách cửa và đáy, kJ

Nhiệt tổn thất qua vách buồng: Q v = k v L.∆t (2.19) Với:

∆t = 30 – (-25) = 55 o C: Chênh lệch nhiệt độ trong và ngoài buồng

L = 0,726m: Chiều dài buồng sấy k v : Hệ số trao đổi nhiệt qua vách trụ, W/mK k v 3 2

(2.20) λ 1 = 64 W/mK: Hệ số dẫn nhiệt của inox [25]

Hệ số dẫn nhiệt của lớp bảo ôn được xác định là 0,047 W/mK, trong khi hệ số tỏa nhiệt đối lưu bên trong buồng được chọn là α1 = 4 W/m²K và hệ số tỏa nhiệt đối lưu bên ngoài môi trường là α2 = 8 W/m²K Tham số k v được lấy là 1.

Tổn thất nhiệt qua vách cửa và đáy: Q c = k c F c ∆t (2.21) Với:

F c : Diện tích hai đáy buồng sấy, m 2

2 . D = 0,26 m 2 k c: Hệ số trao đổi nhiệt qua vách phẳng, W/m 2 K k c 1 2

(2.22) δ1 = 3mm: Độ dày vách hai đáy δ2 = 20mm: Độ dày lớp cách nhiệt k c = 1

Nhiệt lượng tổn thất ra môi trường:

Tải nhiệt cho quá trình cấp đông:

Tính tải nhiệt cho quá trình sấy thăng hoa

Năng suất bốc hơi trong quá trình sấy thăng hoa: th  th

W: lƣợng ẩm bốc hơi trong quá trình sấy thăng hoa, kg;

 th = 22 h: Thời gian sấy thăng hoa

Tải nhiệt cần thiết cho quá trình thăng hoa: th th th

3 3600 = 0,17 kW (2.25) Trong đó: r th = 3,23.10 3 kJ/kg: Nhiệt ẩn thăng hoa của nước [8] k: Hệ số an toàn Chọn k = 3

TÍNH TOÁN THIẾT BỊ

Chọn thông số làm việc của chu trình lạnh

• Nhiệt độ ngƣng tụ [1]: t k = t f + ∆t k (3.1) Trong đó: t f = 35 o C: Nhiệt độ môi trường TP Hồ Chí Minh

Nhiệt độ ngƣng tụ của môi chất là: t k = 35 + 5 = 40 o C (3.2)

• Nhiệt độ bay hơi [1]: to = t b - ∆t o

Nhiệt độ bay hơi của môi chất lạnh là: t o = -25 - 5 = -30 o C

• Chọn chu trình t k = 40 o C, suy ra p k = 18,17 bar t o = -30 o C, suy ra p o = 2,045 bar

Nhƣ vậy, ta có tỉ số nén ε = k o

Nhƣ vậy, tỉ số nén ε < 12 nên ta chọn máy nén 1 cấp và chọn chu trình quá lạnh - quá nhiệt

• Độ quá nhiệt: giả thiết ∆t qn = 7 o C

• Độ quá lạnh: giả thiết ∆tql = 2 o C

• Môi chất lạnh sử dụng trong chu trình: R404A

Tính toán chu trình lạnh

 Quá trình 1 – 2: Quá trình nén đoạn nhiệt tại máy nén

 Quá trình 2 – 4: Quá trình ngƣng tụ đẳng áp tại TBNT

Hình 3.2: Đồ thị lgp-h của chu trình quá lạnh - quá nhiệt MN: Máy nén, TBNT: Thiết bị ngưng tụ, TL: Van tiết lưu, TBBH: Thiết bị bay hơi

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý chu trình quá lạnh - quá nhiệt

 Quá trình 4 – 5: Quá trình tiết lưu

 Quá trình 5 – 1: Quá trình bay hơi đẳng áp tại TBBH

• Lập bảng thông số các điểm nút

Bảng 3.1: Thông số các điểm nút chu trình quá lạnh - quá nhiệt Điểm Áp suất; bar Nhiệt độ; o C Enthalphy; kJ/kg Thể tích riêng; m 3 /kg

Công suất dàn lạnh: Q o = 0,37 kW (đã tính được ở chương 2)

Lưu lượng môi chất qua dàn lạnh: m 6 5

Công suất dàn nóng: Q k = m.(h 2 – h 3 ) = 0,004.(435 – 259,4) = 0,7kW (3.5)

Công tiêu thụ của máy nén: W = m.(h 2 – h 1 ) = 0,004.(435 – 350,6) = 0,34kW (3.6)

Hệ số làm lạnh: COP = Q o

Tính chọn thiết bị chu trình lạnh

Công suất lạnh của máy nén phụ thuộc vào chế độ vận hành, do đó, để lựa chọn máy nén phù hợp, cần quy đổi năng suất lạnh từ chế độ vận hành sang chế độ tiêu chuẩn.

29 chuẩn Với R404A, chế độ tiêu chuẩn là: t o = -15 o C, t qn = -10 o C, t k = 30 o C, t ql % oC [11].Theo hình 3.2 ta có:

• Lập bảng thông số các điểm nút

Bảng 3.2: Thông số các điểm nút chu trình quá lạnh - quá nhiệt tiêu chuẩn Điểm Áp suất; bar Nhiệt độ; o C Enthalphy; kJ/kg Thể tích riêng; m 3 /kg

• Tính toán chế độ tiêu chuẩn

Hệ số cấp phụ thuộc vào tỷ số nén [11]: λ = o k

Năng suất lạnh quy đổi [11]:

 tc tc tc tc tt v h h v h h

Chọn máy nén piston của hãng Danfoss [29] với thông số:

3.3.2 Tính chọn thiết bị ngƣng tụ

Nhiệt độ không khí đầu vào: t v = t f = 35 o C

Nhiệt độ không khí đầu ra: t r = 37 o C

Diện tích trao đổi nhiệt: F k . 1 k k tb

Q k t , m 2 (3.8) Trong đó: k k = (23 W/m 2 K 35 W/m 2 K): Hệ số truyền nhiệt của dàn nóng [11]

Hình 3.3: Sơ đồ dòng lưu chất trao đổi nhiệt tại dàn nóng

∆ttb1: Hiệu nhiệt độ trung bình logarit, o C

Hiệu nhiệt độ trung bình logarit: max min tb1 max min t t t t ln t

(3.9) Vậy diện tích trao đổi nhiệt dàn nóng:

Chọn dàn trao đổi nhiệt của hãng Kewely [30] với thông số:

- Diện tích trao đổi nhiệt: 5,4 m 2

3.3.3 Tính toán chế tạo thiết bị bay hơi

Nhiệt độ ban đầu trong buồng: t b = 30 o C

Nhiệt độ sau quá trình cấp đông: t b ’ = -25 o C

Chọn chế tạo TBBH dạng dàn ống đồng quấn quanh buồng sấy để tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt Sử dụng ống đồng với các thông số: đường kính trong d t = 10 mm, đường kính ngoài dn = 11 mm và độ dày  d = 0,5 mm, nhằm đảm bảo hiệu suất tối đa trong việc tiếp xúc trực tiếp với nhiệt.

 - Hệ số tiếp xúc của ống đồng với buồng Giả sử:  = 0,1 k o – Hệ số truyền nhiệt của dàn lạnh, W/mK

Hình 3.4: Sơ đồ dòng lưu chất trao đổi nhiệt tại dàn lạnh

∆t tb2 – Hiệu nhiệt độ trung bình logarit; o C

Hiệu nhiệt độ trung bình logarit: max min tb1 max min t t t t ln t

Hệ số trao đổi nhiệt qua vách trụ [16]:

Trong đó: d 1 = 400 mm: đường kính trong của buồng sấy d 2 = 406 mm: đường kính ngoài của buồng sấy d 3 = d 2 +  d = 406 + 0,5 = 406,5 mm

 i = 64W/mK: Hệ số dẫn nhiệt của inox [25]

 d = 380W/mK: Hệ số dẫn nhiệt của đồng [25]

1= (25)W/m 2 K: Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên bên trong buồng [11]

2 - Hệ số trao đổi nhiệt khi sôi của môi chất, W/m 2 K

 kg/kmol: Phân tử lƣợng của R404a

   tc c t t (3.15) t o : Nhiệt độ sôi của R404a trong dàn lạnh t tc = -40,84 o C: Nhiệt đội sôi tiêu chuẩn của R404a

,kg/m 2 s : Tốc độ khối lƣợng (3.16)

G = m = 0,004 kg/s: Lưu lượng môi chất qua máy nén

Chọn chiều dài dàn ống đồng quấn quanh buồng: L = 40 m

3.3.4 Tính chọn thiết bị phụ

Chọn các thiết bị phụ tương ứng với công suất máy nén 1 HP đã chọn ở trên

Bảng 3.3: Thông số các thiết bị phụ trong chu trình lạnh

STT Tên thiết bị Thông số kỹ thuật

1 Van tiết lưu nhiệt TEX2, Danfoss, loại cân bằng ngoài, kim số 0

3 Bình chứa cao áp 1 HP

4 Van chặn, van điện từ ỉ10 (mm)

5 Phin lọc, mắt xem gas ỉ10 (mm)

6 Ống hỳt, ống đẩy ỉ12 (mm), ỉ10 (mm)

Tính chọn bơm chân không

Để tính toán chọn bơm chân không phù hợp với năng suất của buồng thăng hoa và thể tích buồng thăng hoa, áp dụng phương trình:

N b : Năng suất hút của bơm chân không, m 3 /h

V: Thể tích của buồng thăng hoa, m 3

 d : Thời gian đuổi hết khí trong buồng thăng hoa chọn  d = 10 phút

B = 760mmHg: Áp suất khí quyển

P gh = 0,001mmHg: Áp suất giới hạn mà bơm chân không có thể tạo ra

P th = 0,5mmHg: Áp suất làm việc của buồng thăng hoa

 : Hệ số rò rỉ của buồng thăng hoa Chọn  1 1, 2

 : Hệ số an toàn của bơm chân không.Chọn  2 1,15

Chọn bơm chân không của hãng Value [31] với thông số:

Tính chọn điện trở sấy

Với công suất nhiệt cần cho quá trình sấy: Q th = 0,17 kW

Chọn công suất điện trở sấy Q s = 0,2 kW

Chọn điện trở dây công suất 200 W

Công suất trên mỗi mét dây: q r = 25 W/m

HỆ THỐNG THIẾT BỊ THÍ NGHIỆM

Hệ thống thí nghiệm

Dựa trên kết quả tính toán lý thuyết từ bảng 4.1 và sơ đồ nguyên lý mô hình máy sấy, nhóm tác giả đã tiến hành xây dựng mô hình thực tế như hình 4.2.

Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật các thiết bị trong hệ thống

STT THIẾT BỊ THÔNG SỐ GIÁ TRỊ

1 Buồng sấy Kích thước 400 723 3mm 

2 Thiết bị bay hơi Chiều dài ống đồng 40m

3 Máy nén Công suất 1HP

4 Thiết bị ngƣng tụ Diện tích trao đổi nhiệt 5,4m 2

5 Van tiết lưu Kích thước đường ống kết nối 10 & 12

6 Van điện từ Kích thước đường ống kết nối 10

7 Van Chặn Kích thước đường ống kết nối 12

8 Phim lọc Kích thước đường ống kết nối 10

9 Mắt xem gas Kích thước đường ống kết nối 10

10 Bình chứa cao áp Kích thước đường ống kết nối 10

11 Bình tách lỏng Kích thước đường ống kết nối 12

12 Rơ le áp suất kép Kích thước đường ống kết nối 6

13 Đồng hồ đo áp suất cao và áp suất thấp

Kích thước đường ống kết nối 6

14 Tủ điện Kích thước 500×400×200mm

15 Khung lắp đặt thiết bị Kích thước thép ống 25 25 2mm 

16 Bơm chân không Công suất 1/3HP

Hệ thống sấy thăng hoa bao gồm các thành phần chính như máy nén, dàn nóng, bình chứa cao áp, phin lọc, mắt xem gas, van điện từ, van tiết lưu, buồng sấy (dàn lạnh quấn ngoài), bình tách lỏng, relay áp suất, cảm biến nhiệt độ và bơm chân không Các bộ phận này phối hợp với nhau để tạo ra quy trình sấy hiệu quả, giúp bảo quản sản phẩm tốt hơn.

* Nguyên lí làm việc của hệ thống

Trong giai đoạn cấp đông, hệ thống sấy thăng hoa tự cấp đông hoạt động bằng cách đưa thực phẩm trực tiếp vào buồng sấy để cấp đông Trong giai đoạn này, bơm chân không chưa hoạt động, trong khi dàn nóng và máy nén hoạt động để tạo ra môi trường lạnh Van điện từ mở ra và van tiết lưu hoạt động cung cấp môi chất cho dàn lạnh, giúp hạ nhiệt độ thực phẩm Khi buồng cấp đông đạt nhiệt độ -25°C, thực phẩm sẽ được cấp đông đúng yêu cầu trước khi chuyển sang giai đoạn sấy thăng hoa.

Trong giai đoạn sấy thăng hoa, bơm chân không hoạt động để rút không khí khỏi buồng sấy, đạt áp suất yêu cầu (-1000mbar) Khi áp suất đạt, điện trở bắt đầu gia nhiệt thực phẩm, duy trì nhiệt độ sấy theo yêu cầu kỹ thuật (t b