Hoàn thiện thiết kế và thực nghiệm sấy sâm đương quy công suất 2 kgmẻ bằng phương pháp thăng hoa

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Trong bối cảnh nền kinh tế phát triển và công nghệ tiên tiến, đời sống con người ngày càng được nâng cao, tuy nhiên, thị trường hội nhập cũng mang đến nhiều thách thức cho ngành nông nghiệp và thực phẩm Để cạnh tranh về chất lượng và giá cả, các sản phẩm nông nghiệp cần được cải tiến để đáp ứng nhu cầu tiêu dùng trong nước và xuất khẩu Việc chế biến thực phẩm đa dạng và bảo quản hiệu quả trở nên quan trọng, đặc biệt trong điều kiện khí hậu nhiệt đới gió mùa với độ ẩm cao Các phương pháp bảo quản như bảo quản lạnh, phơi khô, và sấy khô là cần thiết, trong đó sấy thăng hoa nổi bật với những ưu điểm vượt trội, đáp ứng tốt nhu cầu của người tiêu dùng.

Công nghệ sấy thăng hoa đã tồn tại từ lâu và được các nước phát triển như Mỹ, Nhật Bản, và Trung Quốc nghiên cứu và cải tiến Tuy nhiên, tại Việt Nam, công nghệ này vẫn đang trong giai đoạn phát triển và gặp một số hạn chế, đặc biệt trong lĩnh vực nông nghiệp và thực phẩm Nhằm tạo ra một sản phẩm hoàn thiện, nhóm chúng tôi đã thực hiện đề tài “Hoàn thiện thiết kế và thực nghiệm sấy sâm đương quy với năng suất 1,4kg/mẻ”.

Mục đích nghiên cứu

- Tìm hiểu công nghệ sấy thăng hoa và quy trình các giai đoạn sấy thăng hoa

- Nghiên cứu tính toán kiểm tra hoàn thiện thiết kế hệ thống sấy sâm đương quy bằng phương pháp sấy thăng hoa năng suất 1,4kg/mẻ

-Thực nghiệm và đưa ra đánh giá kết quả sau quá trình thực hiện.

Đối tượng nghiên cứu

- Hệ thống sấy sâm đương quy bằng phương pháp sấy thăng hoa năng suất 1,4kg/mẻ

- Vật liệu sấy: sâm đương quy là vật thực nghiệm

Phạm vi nghiên cứu

- Hoàn thiện thiết kế, vận hành thực nghiệm và đánh giá hệ thống sấy sâm bằng phương pháp sấy thăng hoa 1,4kg/mẻ

- Thời gian thực hiện: từ tháng 10 năm 2019 đến tháng 1 năm 2020

Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích, tổng hợp tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Cơ sở lý thuyết phương pháp tính toán về sấy thăng hoa

- Thực nghiệm vận hành nhận xét đánh giá so sánh với kết quả lý thuyết để đưa ra kết luận và kiến nghị.

Tình hình nghiên cứu

- Tình hình nghiên cứu ngoài nước:

Công nghệ SMART Freeze-Drying, được phát triển bởi Đại học Connecticut và Đại học Purdue, nhằm tăng tốc và tối ưu hóa quá trình thăng hoa trong sản xuất Nguyên tắc của công nghệ này dựa trên việc đo nhiệt độ áp kế, cho phép tính toán chính xác nhiệt độ sản phẩm tại giao diện thăng hoa Quá trình thăng hoa truyền thống thường tốn nhiều thời gian và năng lượng, kéo dài từ vài ngày đến vài tuần Tuy nhiên, công nghệ mới này giúp rút ngắn chu trình đông khô, nâng cao hiệu quả, tăng tốc độ phát triển và giảm thời gian ra thị trường, từ đó bảo toàn giá trị của sản phẩm.

Sấy chân không là công nghệ chuẩn để làm khô chất lượng cao các sản phẩm.

Kỹ thuật sấy khô trong khí quyển, mặc dù có chi phí cao và vận hành phức tạp, mang lại chất lượng sản phẩm vượt trội và tiết kiệm năng lượng hơn so với sấy chân không Năng lượng cần thiết cho sự thăng hoa có thể được cung cấp qua các chế độ truyền nhiệt khác nhau, giúp tăng cường tốc độ truyền nhiệt mà không làm giảm chất lượng sản phẩm Máy làm lạnh xoáy là một lựa chọn phù hợp để đáp ứng yêu cầu về khí mang trong buồng sấy Thêm vào đó, tốc độ bay hơi có thể được cải thiện bằng cách nâng cao hệ số chuyển khối bên ngoài, kết hợp sản phẩm đông lạnh với các hạt hấp phụ trên giường tầng sôi.

- Tình hình nghiên cứu trong nước:

Công nghệ sấy thăng hoa tại Việt Nam hiện đang trong giai đoạn nghiên cứu và phát triển, với các nhà khoa học trong nước đã công bố nhiều bài báo trên các diễn đàn khoa học Một hệ thống sấy thăng hoa đã được chế tạo thành công, đánh dấu bước tiến quan trọng trong việc tiếp cận và phát triển công nghệ này trong tương lai.

TS Nguyễn Tấn Dũng cùng các nhà khoa học từ Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật TP Hồ Chí Minh đã thành công trong việc chế tạo hệ thống sấy thăng hoa kết hợp bơm nhiệt thế hệ mới DS-10 Hệ thống này sử dụng thiết bị hồi nhiệt để tối ưu hóa năng lượng và tiết kiệm chi phí cho quá trình sấy Đặc biệt, nó được trang bị khả năng tự động đo lường và điều khiển qua máy tính, ứng dụng IoT trong việc kiểm soát quy trình sấy Hệ thống hỗ trợ hai chế độ sấy: sấy tự làm lạnh đông sản phẩm và sấy các sản phẩm đã được cấp đông riêng Thông số kỹ thuật chính của máy đạt năng suất 35 kg nước ngưng/24 giờ, tương đương với 50 đến 70 kg nguyên liệu/mẻ, tùy thuộc vào loại sản phẩm và hàm lượng.

Nhiệt độ môi trường sấy sản phẩm dao động từ -45 o C đến 30 o C, trong khi nhiệt độ hóa đá nằm trong khoảng -45 o C đến -35 o C Áp suất môi trường sấy sản phẩm từ 0,001 đến 4,58 mmHg Đặc biệt, giá của thiết bị chỉ bằng 1/4 so với thiết bị nhập khẩu có cùng năng suất.

Trương Thị Minh Hạnh từ trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến hàm lượng anthocyanin trong khoai lang tím qua phương pháp sấy thăng hoa Nghiên cứu đã xác định thành phần hóa học của khoai lang tím, cho thấy đây là thực phẩm giàu dinh dưỡng với hàm lượng kim loại nặng như Zn, Pb, Cd, Cu đều dưới mức cho phép của Bộ Y tế Đặc biệt, khoai lang tím chứa một lượng đáng kể anthocyanin Để đạt được hàm lượng anthocyanin cao nhất là 0,236%, quá trình xử lý khoai lang tím nên bao gồm giai đoạn hấp ở 100°C trong 4 phút.

Quá trình sấy thăng hoa khoai lang tím chịu ảnh hưởng lớn từ các điều kiện công nghệ như nhiệt độ lạnh đông, nhiệt độ sấy và thời gian sấy Việc giảm nhiệt độ lạnh đông, tăng nhiệt độ sấy và kéo dài thời gian sấy sẽ làm giảm độ ẩm của sản phẩm, đồng thời dẫn đến tổn thất đáng kể hàm lượng anthocyanin Các thông số tối ưu cho quá trình sấy thăng hoa khoai lang tím là nhiệt độ lạnh đông -60°C, nhiệt độ sấy 45°C và thời gian sấy phù hợp.

6 giờ Sản phẩm thu được có độ ẩm là 3,75 % và hàm lượng anthocyanin là 0,201

%, được người tiêu dùng đánh giá khá cao, từ đó có thể định hướng tạo ra sản phẩm hoàn thiện hơn.[9]

Tổng quan vật liệu sấy

Đương quy, hay còn gọi là Tần Quy hoặc Can Quy, với tên khoa học là Angelica sinensis, là một loại cây thuốc quý có nguồn gốc từ Trung Quốc và được sử dụng trong Đông Y từ lâu đời Phần rễ củ của cây có giá trị cao, đặc biệt là khi cây càng lâu năm Rễ cây được phơi hoặc sấy khô để sử dụng Tên gọi "đương quy" mang ý nghĩa là giúp nuôi huyết, điều hòa khí, đưa huyết đang rối loạn trở về trạng thái bình thường.

Đương quy, một loại thực vật có hoa thuộc họ hoa tán, có thân thảo và có thể sống nhiều năm, cao từ 40 đến 80 cm với thân cây màu tím rãnh Lá của đương quy có hình mác dài, không cuống hoặc cuống ngắn, mép lá răng cưa, và cụm hoa tán kép màu trắng lục nhạt, thường ra hoa từ tháng 7 đến tháng 8 với mỗi cụm gồm 12-40 hoa Quả của cây có màu tím nhạt và có rìa Trong y học cổ truyền, đương quy có vị hơi đắng, tính ấm và vị ngọt.

Cây đương quy, mọc tự nhiên ở các nước Châu Á như Nhật Bản, Trung Quốc, Hàn Quốc và Triều Tiên, được người Nhật phát hiện tại các bờ sông Hiđu và sau đó được nghiên cứu và sử dụng Tại Việt Nam, cây đương quy không mọc tự nhiên mà được nhập trồng từ năm 1960, với một số mẫu cây đương quy Nhật Bản cũng được di thực gần đây Loại cây này chủ yếu được trồng ở những vùng có khí hậu mát mẻ, thường ở độ cao trên 1000m so với mực nước biển, và phân bố chủ yếu tại các tỉnh phía Bắc như SaPa, Lào Cai, Lai Châu, Hòa Bình, cũng như ở các tỉnh Tây Nguyên như Đắk Lắk và Lâm Đồng (Đà Lạt).

Nghiên cứu hiện đại cho thấy đương quy chứa nhiều hoạt chất quý hiếm, trong đó rễ của nó có 0,26% tinh dầu Các thành phần chính bao gồm n-butylliden phthalide, o-valerophenon, axit carboxylic, n-butyl phtalide, bergapten, sesquiterpen, dodecanol, tetradecanol, safrol, p-cymen, carvacrol, cadinen, vitamin B12, axit folinic, biotin, coumarin cùng với polysaccharide và phytoestrogen.

Sâm đương quy chứa các thành phần hoạt chất quan trọng, mang lại nhiều công dụng cho cả y học cổ truyền và y học hiện đại.

Nghiên cứu của các nhà khoa học cho thấy Sâm Đương Quy giàu collagen, mang lại nhiều lợi ích cho sức khỏe như bổ sung dinh dưỡng, trẻ hóa cơ thể, tăng cường nhu cầu sinh lý và giúp tế bào da khỏe mạnh.

Đương quy trong y học cổ truyền có nhiều công dụng, bao gồm điều trị đau bụng kinh, kinh nguyệt không đều, táo bón, mụn nhọt, và tăng cường huyết áp Ngoài ra, nó còn hỗ trợ điều trị hói đầu, lao phổi, huyết ứ trệ và kích thích cảm giác thèm ăn.

- Theo nghiên cứu y học hiện đại, thì đương quy có chứa những hoạt chất quý hiếm sau:

+ Ligustilide giúp tăng cường hệ tuần hoàn máu

+ N-butylphthalide hỗ trợ điều trị bệnh thiếu máu

+ Polysaccharide tăng cường khả năng miễn dịch và hạn chế sự phát triển của các khối u

+ Phytoestrogen giúp chống viêm, giảm hormone của tuyến yên, hạ huyết áp…

+ Coumarin công dụng hoạt huyết

+ Acid hữu ức chế tiểu cầu.

Tổng quan về sấy thăng hoa

1.8.1 Các phương pháp sấy thăng hoa

Sấy là quá trình loại bỏ độ ẩm, chủ yếu là nước và hơi nước, từ vật liệu sấy Quá trình này diễn ra đồng thời qua hai giai đoạn: đầu tiên là khếch tán độ ẩm từ bên trong vật liệu ra bề mặt, sau đó là khếch tán từ bề mặt ra môi trường bên ngoài.

Sấy có mục đích giảm khối lượng vật liệu, giúp thuận tiện cho việc vận chuyển, đồng thời tăng độ bền cho các vật liệu như gỗ và đồ gốm Đặc biệt, sấy còn đóng vai trò quan trọng trong việc bảo quản lương thực và thực phẩm lâu dài.

Có nhiều cách để phân loại phương pháp sấy Dựa vào cách cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy người ta chia ra thành những loại sau:

Sấy đối lưu là phương pháp sấy mà vật liệu tiếp xúc trực tiếp với tác nhân sấy như không khí hoặc khói lò Các kiểu sấy đối lưu phổ biến bao gồm sấy buồng, sấy hầm, sấy thùng quay, sấy băng tải, sấy tầng sôi, sấy khí động, sấy phun và sấy bơm nhiệt, hay còn gọi là sấy lạnh.

Sấy tiếp xúc là phương pháp hiệu quả cho phép vật liệu tiếp xúc trực tiếp với bề mặt gia nhiệt, có thể là bề mặt nóng hoặc trong chất lỏng Một số kiểu sấy tiếp xúc phổ biến bao gồm sấy lô quay, sấy dầu và sấy tang, giúp tối ưu hóa quá trình sấy và nâng cao chất lượng sản phẩm.

- Sấy bức xạ là phương pháp cho vật liệu sấy hấp thu nhiệt từ nguồn bức xạ (đèn hồng ngoại, dây điện trở).

- Sấy bằng dòng điện cao tần là phương pháp dùng năng lượng điện trường có tần số cao để đốt nóng toàn bộ vật liệu sấy.

- Sấy thăng hoa là phương pháp sấy trong môi trường có độ chân không cao và nhiệt độ thấp để ẩm bay hơi từ rắn thành dạng hơi.

Phương pháp sấy được chia thành hai loại chính dựa trên cách tạo ra động lực cho quá trình sấy, bao gồm sấy nóng và sấy lạnh.

Phương pháp sấy thăng hoa nổi bật với ưu điểm sấy ở nhiệt độ thấp, giúp bảo tồn các tính chất tươi sống của sản phẩm, giữ nguyên chất lượng và hương vị thực phẩm, đồng thời không làm mất vitamin và các chất dinh dưỡng quan trọng Tuy nhiên, phương pháp này cũng có nhược điểm như chi phí thiết bị cao, quy trình vận hành phức tạp và yêu cầu người vận hành phải có trình độ kỹ thuật cao, cùng với tiêu hao điện năng lớn, đặc biệt so với các phương pháp sấy khác.

1.8.2 Lý thuyết sấy thăng hoa

Sấy thăng hoa là phương pháp sấy diễn ra trong điều kiện áp suất và nhiệt độ thấp hơn điểm ba thể của nước, cụ thể là t = 0,0098 oC và p = 4,58 mmHg, do đó quá trình này cần được thực hiện trong môi trường khép kín Trong quy trình này, nước trong vật liệu sấy được làm lạnh và đóng băng hoàn toàn, sau đó buồng sấy được hút chân không, khiến nước ở trạng thái rắn xuống dưới điểm ba thể Cuối cùng, khi nhiệt được cấp trong môi trường chân không, quá trình thăng hoa diễn ra, nước từ trạng thái rắn chuyển thành hơi và thoát ra khỏi vật liệu sấy.

Hình 1.2: Giản đồ trạng thái pha của nước

Khi ẩm trong vật liệu sấy ở trạng thái đóng băng được đốt nóng đến nhiệt độ tD tại điểm D, nước ở thể rắn sẽ trải qua quá trình thăng hoa DE Nhiệt độ thăng hoa tăng theo áp suất, do đó, khi cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy ở áp suất thấp, độ chênh lệch giữa nguồn nhiệt và vật liệu sấy sẽ lớn hơn Điều này cho thấy sấy thăng hoa có ưu điểm vượt trội so với sấy chân không thông thường.

Quá trình sấy thăng hoa có ba giai đoạn:

- Giai đoạn làm lạnh sản phẩm

Vật liệu sấy được làm lạnh từ nhiệt độ môi trường khoảng 20°C đến 30°C xuống -10°C đến -40°C, khiến nước trong vật liệu đóng băng hoàn toàn Sau đó, không gian sấy được hút chân không, giảm áp suất trong buồng sấy Sự chênh lệch áp suất giữa vật liệu và buồng sấy dẫn đến lượng ẩm hóa rắn chuyển sang trạng thái dưới điểm ba thể Thực nghiệm cho thấy có một lượng nhỏ hơi ẩm thoát ra do thăng hoa từ rắn sang hơi, chiếm khoảng 10% đến 15% tổng ẩm trong giai đoạn này.

Trong giai đoạn này, việc làm lạnh đông nhanh cho vật liệu sấy là cần thiết để tạo ra các tinh thể băng nhỏ, giúp bảo vệ cấu trúc tế bào của sản phẩm Đối với vật liệu dạng lỏng, phương pháp làm lạnh đông chậm được áp dụng để hình thành nhiều lớp đóng băng, tạo ra các kênh giúp vật liệu dễ bay hơi hơn Khi điều kiện nhiệt độ và áp suất thấp hơn điểm ba thể, nhóm nghiên cứu đã tìm thấy mối quan hệ giữa áp suất và nhiệt độ tại điểm này.

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

Việc lựa chọn áp suất môi trường sấy thăng hoa phù hợp với nhiệt độ thăng hoa của nước đá là rất quan trọng, vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến thời gian thăng hoa Nếu áp suất không phù hợp, thời gian thăng hoa sẽ kéo dài, dẫn đến lãng phí năng lượng và hiệu quả không cao.

Trong giai đoạn này, nhờ vào nhiệt bức xạ, nước trong vật liệu sấy thăng hoa mạnh mẽ, làm giảm độ ẩm một cách nhanh chóng và gần như tuyến tính Đây được xem là giai đoạn có tốc độ sấy ổn định Hơi ẩm sau đó sẽ được dẫn đến bình ngưng, nơi nó ngưng tụ thành lỏng và sau đó đóng băng trên bề mặt ống.

Hình 1.3: Quan hệ giữa áp suất với nhiệt độ thăng hoa của nước đá

Dựa vào đồ thị, khi sản phẩm ở giai đoạn đầu được đưa gần đường thăng hoa, lượng nhiệt cần thiết để chuyển pha rắn sang hơi giảm xuống, từ đó tiết kiệm năng lượng Do đó, trong thiết kế hệ thống, cần lựa chọn thông số hợp lý để hạn chế hao phí năng lượng và rút ngắn thời gian sấy.

Trong quá trình sấy, phần lớn nhiệt lượng được chuyển hóa thành nhiệt ẩn thăng hoa, giữ cho nhiệt độ của vật liệu sấy gần như không thay đổi Cuối giai đoạn này, nhiệt độ sản phẩm sấy tăng dần từ -40 °C đến 0 °C, đánh dấu sự kết thúc của quá trình thăng hoa.

- Giai đoạn bốc hơi ẩm còn lại

Giai đoạn cuối của quá trình sấy là làm bay hơi ẩm còn lại trong vật liệu, khi nước chuyển từ trạng thái lỏng về dạng hơi Nhiệt độ của vật liệu sấy tăng lên 0°C, trong khi áp suất môi trường chân không được duy trì ổn định nhờ bơm chân không Vật liệu tiếp tục được gia nhiệt bằng bức xạ nhiệt, giúp ẩm chuyển từ lỏng sang hơi và bay hơi vào môi trường sấy trước khi được ngưng tụ Quá trình này tương tự như sấy trong các thiết bị sấy chân không thông thường.

TÍNH TOÁN QUÁ TRÌNH SẤY

Tính toán sơ bộ

Vật liệu sấy: Sâm đương quy

Năng suất sấy thăng hoa: 1,4kg/mẻ Độ ẩm ban đầu của sâm đương quy: W1 = 74% Độ ẩm cuối của sâm đương quy: W2 = 10%

Khối lượng riêng của sâm đương quy: = 950,683 kg/m 3

Nhiệt dung riêng chất khô cuả vật liệu sấy được xác định theo công thức:

Trong đó: cj ,J/kg.K - nhiệt dung riêng của chất thứ j chiếm tỉ lệ trong nguyên liệu sinh học

X tp j (%) Nguyên liệu sinh học chủ yếu là nước, protein, gluxit, lipit, khoáng chất(tro) và thành phần các hợp chất đa lượng khác.

Thành phần sinh học của sâm đương quy: 74% nước, 23% gluxit, 2,5% protein và 0,3% lipid, chất khoáng (tro) 0,2%

Nhiệt dung riêng chất khô:

Khối lượng sản phẩm sấy mỗi mẻ: G1 = 1,4 kg

Thời gian mỗi mẻ sấy: t = 34 h

Khối lượng sản phẩm sau khi sấy: 0.4 kg (2.3)

Khối lượng ẩm bốc hơi: Ga = G1 – Gsp = 1,4 – 0,4 = 1 kg (2.4)

Quy trình sấy thăng hoa sâm đương quy được thực hiện qua ba giai đoạn, bắt đầu với giai đoạn lạnh đông Tại giai đoạn này, vật liệu sấy được đưa vào buồng sấy và thực hiện quá trình cấp đông ở nhiệt độ -18°C trong 9 giờ Trong thời gian này, khoảng 10% lượng ẩm trong vật liệu sẽ bị bốc hơi ra ngoài Nhiệt độ trung bình của sản phẩm trong giai đoạn cấp đông là t2.

Sau khi thực hiện quá trình cấp đông trong 9 giờ, sản phẩm sẽ chuyển sang giai đoạn sấy thăng hoa, giai đoạn quan trọng với lượng ẩm bốc hơi đạt 75% Thời gian sấy thăng hoa được thực hiện qua 6 mẻ, cụ thể là từ 15 đến 25 giờ Tiếp theo là giai đoạn sấy chân không, giai đoạn cuối của quá trình sấy thăng hoa, với thời gian sấy chân không kéo dài 1 giờ và lượng ẩm bốc hơi đạt 15% Nhiệt độ điện trở tấm bức xạ trong giai đoạn này là 35 độ C.

Môi chất lạnh sử dụng cho hệ thống là: gas R404A.

Tính toán kích thước buồng sấy

Tính chọn kích thước khay sấy

Thể tích sản phẩm được tính theo công thức:

Gsp: khối lượng sản phẩm chứa tối đa ở trong buồng lạnh đông, (kg)

Vsp: Thế tích sản phẩm chứa tối đa ở trong buồng lạnh động, (m 3 )

Khối lượng riêng của sâm đương quy: = 950,683 kg/m 3

Vk=Lk.Wk.Hk= 0,59.0,25.0,025=3,6875.10 -3 m 3 [1] (2.6) Thể tích vật liệu sấy trong mỗi khay:

Vvl=Lk.Wk.0,59.0,25.0,0025=3,6875.10 -4 m 3 [1] (2.7) : bề dày lớp vật liệu sấy

Chọn bề dày lớp vật liệu sấy là 2,5mm (Thực nghiệm)

Số khay đặt trong buồng sấy thăng hoa là:

Thể tích không gian của Nks chiếm chỗ trong buồng sấy thăng hoa:

Lk = 590 mm: chiều dài khay sấy, mm

Wk = 250 mm: Chiều rộng khay sấy, mm

Hk = 25 mm : Chiều cao khay sấy, mm

Năng suất sấy thăng hoa đạt 1,4kg/mẻ, với mỗi khay chứa được 0,35kg vật liệu sấy Để bố trí 4 khay sấy trong buồng sấy, kích thước của buồng và khung khay sấy được tính toán theo hình 2.2.

Hình 2.2: Kích thước khay sấy và buồng

Buồng thăng hoa, hay còn gọi là buồng lạnh đông vật liệu sấy, được thiết kế hình trụ với các thông số kỹ thuật như đường kính trong D1 m, đường kính ngoài D2 m, đường kính lớp cách nhiệt D3 m và 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: =0,0911 m 3 (2.9)

Tính tải nhiệt cho quá trình cấp đông

Nhiệt lượng cung cấp cho tủ cấp đông cần phải đảm bảo công suất lạnh của hệ thống, nhằm tiêu thụ hoàn toàn lượng nhiệt Q phát sinh từ sản phẩm trong quá trình đông lạnh và thải ra môi trường.

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

Qsp: Nhiệt cấp cho quá trình cấp đông, kJ

Qvk: Nhiệt tổn thất do làm lạnh buồng sấy và khay, kJ

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

Qmt: Nhiệt tổn thất từ môi trường xâm nhập qua vách buồng sấy thăng hoa, kW

2.3.1 Tổn thất nhiệt cho quá trình cấp đông

Để tính toán quá trình cấp đông, chúng ta có các thông số quan trọng: nhiệt độ ban đầu của sản phẩm là t1 = 30 o C, nhiệt độ cuối của sản phẩm sau khi cấp đông là t2 = -18 o C, và nhiệt độ trung bình của nước trong thực phẩm đóng băng là tđb = -1,5 o C Tính toán nhiệt độ T bằng công thức T = tđb - t2 = -1,5 - (-18,5) o C.

Cđ = 333,62 kJ/kg: Nhiệt ẩn đông đặc của nước [1]

Cb = 2,163 kJ/kgK: Nhiệt dung riêng của băng [1]

Ck= 0,464 kJ/kgK: Nhiệt dung riêng chất khô

Nhiệt cấp cho quá trình cấp đông:

Q1 - Lượng 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.

Q2 - Lượng nhiệt lấy ra để toàn bộ nước trong sản phẩm đóng băng.

Q3 - Lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ của băng đến nhiệt độ cuối cùng của quá trình cấp đông

Q4 - Lượng nhiệt lấy ra để làm giảm nhiệt độ của thành phần nước không

=1: lượng nước đóng băng trong thực phẩm.[1]

Q5 - Lượng nhiệt cần thiết lấy ra để làm giảm nhiệt độ của thành phần chất khô

Như 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:

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

Gvb = 24,77 kg: Khối lượng vỏ buồng sấy

Gkks 1 kg: Khối lượng khung khay sấy

Gk = 4.4,055= 16,22 kg: Khối lượng các khay sấy

Nhiệt tổn thất do làm lạnh vỏ buồng sấy:

Qvb = Gvb.Cinox.(t1 - tbl) = 24,77.0,5.[30-(-25)] = 681,2 kJ (2.17) Nhiệt tổn thất do làm lạnh khay sấy:

Qk = Gk.Cinox.(t1 - tbl) = 16,22.0,5.[30-(-25)] = 446,05 kJ

(2.18) Nhiệt tổn thất do làm lạnh khung khay sấy:

Qkks=Gkks.Cinox.(t1 - tbl) = 31.0,5.[30-(-25)]2,5 kJ

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

Qvk = Qvb + Qk + Qkksh1,2+ 446,05+852,5 = 1979,75 kJ

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 được tính theo công thức:

Gkk: lượng không khí có trong buồng sấy lúc chưa hút chân không, kg ρkk= 1,165: khối lượng riêng của không khí.[1]

(2.22) h1: entalpy của không khí ban đầu lúc chưa tiến hành cấp đông, kJ/kg. h2: entalpy của không khí lúc 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: h1 = 85,475 kJ/kg.

Sau quá trình cấp đông, không khí có nhiệt độ -25°C và độ ẩm tương đối Theo đồ thị h–d của không khí ẩm ở trạng thái bão hòa, ta suy ra rằng h2 = -24,698 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: Qmt = Qv + Qc, kW

Qv : Nhiệt tổn thất qua vách buồng, kJ

Qc : Nhiệt tổn thất qua vách cửa và đáy, kJ

Nhiệt tổn thất qua vách buồng: Qv = kv.L.∆t

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

L = 0,725 m: Chiều dài buồng sấy kv: Hệ số trao đổi nhiệt qua vách trụ, W/m 2 K kv 3 2

Hệ số dẫn nhiệt của inox là 64 W/mK, trong khi đó lớp bảo ôn có hệ số dẫn nhiệt là 0,047 W/mK Hệ số tỏa nhiệt đối lưu bên trong buồng được chọn là 4 W/m²K, và hệ số tỏa nhiệt đối lưu bên ngoài môi trường là 8 W/m²K.

Tổn thất nhiệt qua vách cửa và đáy: Qc = kc.Fc.∆t (2.26) Với:

Fc: Diện tích hai đáy buồng sấy, m 2

= 0,259 m 2 kc: Hệ số trao đổi nhiệt qua vách phẳng, W/m 2 K kc 1 2

(2.27) δ1 = 3mm: Độ dày vách hai đáy δ2 = 20mm: Độ dày lớp cách nhiệt kc = = 1,25 W/m 2 K

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: lượng 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:

0,14 kW (2.30) k: Hệ số an toàn Chọn k = 3 rth = 3,287.10 3 kJ/kg: Nhiệt ẩn thăng hoa của nước [1]

Chọn thông số làm việc của chu trình lạnh

• Nhiệt độ ngưng tụ [1]: tk = tf + ∆tk

(3.1) Trong đó: tf = 30 o C: Nhiệt độ môi trường TP Hồ Chí Minh

∆tk: Độ chênh nhiệt độ giữa nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ không khí làm mát.

Nhiệt độ ngưng tụ của môi chất là: tk = 30 + 5 = 35 o C

• Nhiệt độ bay hơi [1]: to = tb - ∆to

Trong đó: tb = -25 o C: Nhiệt độ buồng làm đông

∆to: Độ chênh nhiệt độ ∆to = (5�15) o C Chọn ∆t0 = 5 o C

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

• Chọn chu trình tk = 35 o C, suy ra pk = 16,065 bar to = -30 o C, suy ra po = 2,045 bar

Như vậy, ta có tỉ số nén ε k o

Như vậy, tỉ số nén ε < 9 nên ta chọn máy nén 1 cấp và chọn chu trình quá lạnh - quá nhiệt.[3]

• Độ quá nhiệt: giả thiết ∆tqn = 7 o c [3]

• Độ quá lạnh: giả thiết ∆t = 2 o C [3]

Tính toán chu trình lạnh

Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý chu trình quá lạnh - quá nhiệt MN: Máy nén, TBNT: Thiết bị ngưng tụ, TL: Van tiết lưu, TBBH: Thiết bị bay hơi

Hình 3.2: Đồ thị lgp-h của chu trình quá lạnh - quá nhiệt

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

 Quá trình 2 – 3: Quá trình ngưng tụ đẳng áp tại TBNT

 Quá trình 3 – 4: Quá trình tiết lưu

 Quá trình 4 – 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 Điể m Áp suất; bar

Công suất dàn lạnh: Qo = 0,37 kW

Lưu lượng môi chất qua dàn lạnh: m = 0,00374kg/s

Công suất dàn nóng: Qk = m.(h2 – h3’) = 0,00374.(399,189 – 254,21) = 0,54kW

(3.5) Công tiêu thụ của máy nén: W = m.(h2 – h1) = 0,00374.(399,189 – 355,859)

Hệ số làm lạnh: COP Qo

Tính chọn thiết bị chu trình lạnh

Để chọn máy nén phù hợp, cần quy đổi năng suất lạnh từ chế độ vận hành sang chế độ tiêu chuẩn, vì công suất lạnh của máy nén phụ thuộc vào chế độ này Đối với R404A, chế độ tiêu chuẩn được xác định với các thông số: to = -15 oC, tqn = -10 oC, tk = 30 oC, và tql % oC.

• Lập bảng thông số các điểm nút

Bảng 3.2: Thông số các điểm nút chu trình quá lạnh - quá nhiệt tiêu chuẩn Điể m Áp suất; bar

• Tính toán chế độ tiêu chuẩn

Hệ số cấp phụ thuộc vào tỷ số nén [3]: λ o k

Hệ số cấp tiêu chuẩn: λtc 0,852

Hệ số cấp thực tế: λtt 0,789

Năng suất lạnh quy đổi [3]:

Chọn máy nén piston của hãng Tecumseh [16] với thông số:

3.3.2 Tính chọn thiết bị ngưng tụ

Nhiệt độ không khí đầu vào: tv = tf = 30 o C

Nhiệt độ không khí đầu ra: tr = 33 o C

Nhiệt độ ngưng tụ: tk= 35 o C

Diện tích trao đổi nhiệt: Fk =  1 k k tb

(3.10) Trong đó: kk = (23 W/m 2 K �35 W/m 2 K): Hệ số truyền nhiệt của dàn nóng [11] Chọn kk = 34 W/m 2 K

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

 == 3,274 o C (3.11) Vậy diện tích trao đổi nhiệt dàn nóng:

Chọn dàn trao đổi nhiệt của hãng Kewely [17] 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: tb = 30 o C

Nhiệt độ sau quá trình cấp đông: tb’ = -25 o C

Chế tạo TBBH dạng dàn ống đồng quấn quanh bên ngoài buồng sấy giúp tối ưu hóa quá trình trao đổi nhiệt Sử dụng ống đồng với đường kính trong 10 mm, đường kính ngoài 11 mm và độ dày 0,5 mm để đảm bảo hiệu suất cao trong việc tiếp xúc trực tiếp với nhiệt.

Diện tích trao đổi nhiệt: F = 2

: 1,12 1,15: là hệ số tải nhiệt an toàn

 - Hệ số tiếp xúc của ống đồng với buồng Giả sử:  = 0,1 ko – Hệ số truyền nhiệt của dàn lạnh, W/m 2 K

Hình 3 3: Sơ đồ dòng lưu chất trao đổi nhiệt tại dàn lạnh

∆ttb2 – Hiệu nhiệt độ trung bình logarit; o C

Hiệu nhiệt độ trung bình logarit:

Hệ số trao đổi nhiệt qua vách trụ [4]:

D1 = 400 mm: đường kính trong của buồng sấy

D2 = 406 mm: đường kính ngoài của buồng sấy

 i = 64W/mK: Hệ số dẫn nhiệt của inox [15]

 d = 380W/mK: Hệ số dẫn nhiệt của đồng [15]

1 = (2 � 5)W/m 2 K: Hệ số trao đổi nhiệt đối lưu tự nhiên bên trong buồng [3] Chọn  1 = 4 W/m 2 K

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

 kg/kmol: Phân tử lượng của R404A

0,238 to: Nhiệt độ sôi của R404A trong dàn lạnh ttc = -40,84 o C: Nhiệt đội sôi tiêu chuẩn của R404A

,kg/m 2 s : Tốc độ khối lượng (3.18)

G = m = 0,00374 kg/s: Lưu lượng môi chất qua máy nén

Chọn chiều dài dàn ống đồng quấn quanh buồng: L = 36 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.

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

- Bình tách lỏng: công suất 1HP

- Bình chứa cao áp: công suất 1HP

- Van chặn, van điện từ: đường kớnh ỉ10 (mm)

- Phin lọc, mắt xem gas: đường kớnh ỉ10 (mm)

- Ống hỳt, ống đẩy: đường kớnh ống hỳt ỉ12 (mm), đường kớnh ống đẩy ỉ10(mm)

Tính chọn bơm chân không

Để tính toán chọn bơm chân không phù hợp với năng suất của buồng thăng

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

V: Thể tích của buồng thăng hoa, m 3

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

B = 760mmHg: Áp suất khí quyển.

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

Pth = 0,5mmHg: Áp suất làm việc của buồng thăng hoa.

 : Hệ số rò rỉ của buồng thăng hoa Chọn 1,3

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

Chọn bơm chân không của hãng FBL [18] với thông số:

Tính chọn điện trở sấy

Với công suất nhiệt cần cho quá trình sấy: Qth = 0,14 kW

Chọn công suất điện trở sấy Qs = 0,2 kW

Chọn điện trở tấm công suất 200 W

Công suất trên mỗi tấm: qr = 40 W

HỆ THỐNG THIẾT BỊ SẤY THĂNG HOA

Hệ thống thiết bị thí nghiệm sấy thăng hoa

*Sơ đồ nguyên lý hệ thống

Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý hệ thống thống sấy thăng hoa

1-Máy nén, 2-Dàn nóng, 3-Bình chứa cao áp, 4-Phin lọc, 5-Mắt xem gas, 6-Van điện từ, 7-Van tiết lưu, 8-Buồng sấy (dàn lạnh quấn ngoài), 9-Bình tách lỏng, 10-

Relay áp suất, 11-Cảm biến nhiệt độ, 12-Bơm chân không

* Nguyên lí làm việc của các quá trình trong hệ thống

Trong giai đoạn cấp đông, hệ thống sử dụng phương pháp cấp đông tự nhiên mà không cần thiết bị tạo dòng đối lưu Hệ thống chỉ có một buồng duy nhất để thực hiện toàn bộ quy trình từ đầu đến khi hoàn thành sản phẩm Vật liệu sấy được xếp lên khay và đưa vào buồng sấy để cấp đông Trong giai đoạn này, bơm chân không chưa hoạt động và van tiết lưu được cấp điện, tạo thành vòng tuần hoàn cho môi chất Khi quạt dàn nóng hoạt động, máy nén sẽ khởi động, khiến môi chất di chuyển tuần hoàn Van tiết lưu hoạt động chuyển môi chất lỏng từ dàn nóng sang hơi, làm giảm nhiệt độ trong buồng sấy Khi nhiệt độ trong buồng đạt -18°C, vật liệu sấy được cấp đông đúng yêu cầu và sẵn sàng chuyển sang giai đoạn tiếp theo.

Trong giai đoạn sấy thăng hoa, bơm chân không hoạt động để hút không khí ra khỏi buồng, đạt áp suất -1000mbar, trong khi điện trở cung cấp nhiệt cho vật liệu sấy Hệ thống cấp đông duy trì nhiệt độ dưới 0°C, đảm bảo điều kiện sấy dưới điểm ba Quá trình này giúp đóng băng độ ẩm thoát ra từ vật liệu, tạo thành tuyết bám quanh bề mặt buồng sấy Ở giai đoạn này, độ ẩm trong vật liệu sẽ thăng hoa thành hơi và thoát ra, trong khi nhiệt độ của vật liệu sấy giữ nguyên.

Giai đoạn sấy còn lại là quá trình mà lượng ẩm còn lại dưới dạng lỏng sẽ chuyển hóa thành hơi và tách ra khỏi vật liệu sấy, tương tự như phương pháp sấy chân không.

Hệ thống sấy thăng hoa được duy trì bằng cách tăng nhiệt độ buồng hoặc giảm thời gian nghỉ của điện trở Quá trình này tiếp tục cho đến khi nhiệt độ trong buồng sấy đạt bằng nhiệt độ môi trường và độ ẩm giảm xuống dưới 10%.

Hình 4.2: Mô hình máy sấy thăng hoa

1 – Máy nén; 2 – Dàn ngưng; 3 – Bình chứa cao áp; 4 – Phin lọc; 5 – Mắt gas;

Van điện từ, van tiết lưu, buồng sấy (dàn lạnh), bình tách lỏng, rơ le áp suất, đồng hồ áp suất (áp suất cao, áp suất thấp), bơm chân không và tủ điện là những thành phần quan trọng trong hệ thống lạnh Mỗi bộ phận đóng vai trò riêng, giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống.

Thông số kỹ thuật trên hệ thống

Những thông số chi tiết của các thiết bị trong hệ thống được nhóm thống kê như sau:

Buồng sấy hình trụ tròn có thiết kế đặc biệt với một mặt đáy hàn kín vào thân buồng, trong khi mặt đáy còn lại là cánh cửa làm bằng inox 304 Cánh cửa này được trang bị một lớp mica hình trụ dày 7mm, đường kính 200mm, giúp người dùng dễ dàng quan sát sự biến đổi của vật liệu sấy trong quá trình thí nghiệm.

Thông số của buồng sấy như sau:

- Độ dày vách buồng: 3 mm

- Độ dày bảo ôn: 60 mm

Hình 4.3: Buồng sấy thăng hoa

* Thông số khay chứa vật liệu sấy

Khay sấy inox là thiết bị quan trọng giúp sắp xếp vật liệu sấy và điều chỉnh nhiệt độ trong quá trình sấy thăng hoa Nó không chỉ đóng vai trò là nơi chứa vật liệu mà còn là vị trí trung gian để cung cấp hoặc thu nhiệt, đảm bảo hiệu quả sấy tối ưu.

Hình 4.4: Khay chứa vật liệu sấy

Máy nén dùng cho hệ thống thí nghiệm là máy nén kín, một cấp dạng piston trượt. Thông số kỹ thuật của máy nén như sau:

Thiết bị ngưng tụ được chọn là thiết bị ngưng tụ đối lưu không khí cưỡng bức. Thông số kỹ thuật của thiết bị ngưng tụ như sau:

- Diện tích trao đổi nhiệt: 9,8 m 2

- Kích thước của thiết bị ngưng tụ: 400*500*150mm

- Công suất tiêu thụ quạt: 70W

Hình 4.6: Thiết bị ngưng tụ

Dàn lạnh được bố trí bằng phương pháp quấn quanh buồng để tăng cường khả năng trao đổi nhiệt và phân bố nhiệt đều cho cả buồng sấy.

Thông số kỹ thuật của dàn lạnh như sau:

Hình 4.7: Dàn lạnh (buồng sấy)

Bơm chân không chọn cho hệ thống thí nghiệm là bơm chân không vòng dầu, có van 1 chiều trên đường hút.

- Thông số kỹ thuật của bơm chân không như sau:

- Năng suất hút: 100 lít/phút

- Áp hút tối đa: 5 Pa

Điện trở sấy dạng tấm với nhiệt độ tối đa 60°C được lắp đặt đồng đều sát giá đỡ khay, đảm bảo hiệu suất sấy tối ưu Thông số kỹ thuật của điện trở tấm bao gồm các đặc điểm quan trọng giúp người dùng dễ dàng lựa chọn và sử dụng.

- Điện áp làm việc: 220V/50Hz

Van tiết lưu nhiệt của hãng Danfoss dạng cân bằng ngoài, môi chất làm việc là R404A.

Thông số kỹ thuật của van tiết lưu như sau:

- Dãy nhiệt độ làm việc: từ -40 đến 40 0 C

Bình tách lỏng dạng khô là lựa chọn tối ưu cho hệ thống thực nhiệm, giúp tách lỏng ra khỏi hơi trước khi vào đầu hút máy nén, đảm bảo an toàn và hiệu suất cho máy nén.

Thông số kỹ thuật của bình tách lỏng:

Công suất: 1HP Đường kính ống hơi ra: 12mm Đường kính ống lỏng và hơi vào: 12mm

Bình chứa cao áp đứng được lựa chọn cho hệ thống thí nghiệm nhằm đảm bảo cung cấp dịch lỏng ổn định cho van tiết lưu.

Thông số kỹ thuật của bình chứa cao áp:

- Đường kính ống vào: 10mm

- Đường kính ống ra: 10mm

Hình 4.12: Bình chứa cao áp

Van điện từ dùng cho hệ thống thí nghiệm là van điện từ dạng đóng nhờ trọng lực. Thông số kỹ thuật của van điện từ như sau:

- Điện áp làm việc: 220V/50Hz

- Đường kính ống vào: 10mm

- Đường kính ống ra: 10mm

Mạch điện điều khiển hệ thống

*Quy trình vận hành hệ thống sấy

Bước 1: Kiểm tra hệ thống

- Kiểm tra áp suất LP, HP đủ áp trong hệ thống.

- Kiểm tra các van chặn, van nối với đầu bơm chân không phải mở hoàn toàn.

- Kiểm tra độ kín của buồng sấy.

Bước 2: Điều chỉnh và chạy hệ thống

Hệ thống được thiết kế để hoạt động tự động, vì vậy trước khi khởi động, cần điều chỉnh các Timer, Ewelly và Dimer cho phù hợp với yêu cầu của thí nghiệm.

KT1: 5 phút (điều khiển máy nén làm việc sau khi khởi động hệ thống) KT2: 9 giờ (điều khiển thời gian bắt đầu chạy bơm chân không)

KT3: 5 phút 50 (điều khiển thời gian nghỉ bơm chân không)

KT4: 6 phút 52 (điều khiển thời gian bơm chân không làm việc)

KT5: 30 phút (điều khiển thời gian bắt đầu chạy điện trở)

KT6: 17 phút 30 (điều khiển thời gian nghỉ của điện trở)

KT7: 1 phút 30 (điều khiển thời gian điện trở làm việc)

Dùng ampe kiềm điều chỉnh dòng điện đi qua Dimer sao cho ứng với mỗi giá trị làm cho điện trở tỏa ra lượng nhiệt cần thiết (2A- 40 o C)

- Khởi động và tắt hệ thống khi có sự cố.

Bật CB tổng trong tủ điện và nhấn nút “Start” để hệ thống hoạt động tự động theo chế độ đã cài đặt Để dừng hệ thống, hãy nhấn nút “Stop” Trong trường hợp khẩn cấp hoặc phát hiện sự cố, người vận hành cần nhấn nút “Emergency” để dừng ngay lập tức.

Quy trình sấy sâm đương quy

Kết thúc quá trình sấy Đóng gói

Bốc hơi ẩm còn lại c o

Rã đông, vệ sinh buồng

Hình 4.16: Quy trình sấy sâm Đương quy

KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM

Phương pháp thí nghiệm

Sử dụng mô hình có sẵn để tối ưu hóa và nâng cao hiệu suất thiết bị, nhằm đạt được sản phẩm sấy chất lượng cao hơn Điều này được thực hiện bằng cách điều chỉnh thời gian vận hành của các thiết bị trong quá trình và thay thế một số thiết bị trong hệ thống.

Tiến hành thí nghiệm với nhiều mẻ sấy khác nhau để tìm ra sản phẩm tốt nhất, tất cả các mẻ sấy đều có khoảng thời gian cấp đông giống nhau nhằm đảm bảo yêu cầu cấp đông cho sản phẩm, tuy nhiên, thời gian sấy thăng hoa lại khác nhau.

Ghi chép số liệu các thông số trong quá trình sấy của từng mẻ là bước quan trọng Sau đó, cần tổng hợp và phân tích các dữ liệu này để tạo ra các biểu đồ và bảng biểu sấy tương ứng cho từng mẻ, với các nhóm số liệu đa dạng.

- Đưa ra đánh giá, nhận xét đối với từng mẻ nhờ vào các đồ thị, bảng biểu sấy trên.

Dụng cụ thiết bị đo thực tế

* Đồng hồ đo áp suất Đồng hồ đo áp cao, áp thấp loại thích hợp cho R22, R134A, R404A, R407C Độ chính xác cấp 1.6

Hình 5.1: Đồng hồ áp suất

*Thiết bị điều khiển nhiệt độ

Dùng để đo nhiệt độ buồng sấy và điều khiển tự động hệ thống

- Điện áp hoạt động: 220V 50/60HZ

Dùng để đo, kiểm tra cường độ dòng điện trong mạch điện của hệ thống Thông số của Ampe kìm như sau:

- Điện áp AC: 200V với sai số là ± 1.2 %

- Dòng điện AC:2A với sai số là ±2.5%

Dùng để đo và đánh giá khối lượng vật liệu sấy.

Thông số của cân điện tử như sau:

Dùng để đo lượng tiêu thụ điện năng trong khi vận hành hệ thống sấy thăng hoa. Thông số của công tơ điện như sau:

- Tốc độ vòng quay: 900 vòng/kWh

* Đồng hồ đo thời gian, nhiệt độ và độ ẩm môi trường

Dùng để đo nhiệt độ và độ ẩm môi trường Thông số kỹ thuật:

- Phạm vi đo độ ẩm từ 10% đến 99%

- Thời gian xác định, đo độ ẩm 10 giây

- Độ chính xác đo độ ẩm ± 5%

- Độ chính xác đo nhiệt độ ± 1 o C

Hình 5.6: Đồng hồ đo thời gian, nhiệt độ và độ ẩm môi trường

* Thiết bị đo độ ẩm vật liệu

Dùng để đo độ ẩm, nhiệt độ môi trường và độ ẩm vật liệu sấy Thông số kĩ thuật:

- Đo nhiệt độ không khí: 10~60℃

- Đo độ ẩm không khí: 20%RH~90%RH

Hình 5.7: Thiết bị đo độ ẩm vật liệu

Kết quả thí nghiệm và nhận xét

5.2.1 Kết quả thí nghiệm sâm đương quy trước sấy và sau sấy

Quá trình thí nghiệm tại xưởng nhiệt – điện lạnh của khoa cơ khí động lực diễn ra với thời gian thực hiện các mẻ sấy lần lượt là 15, 17, 19, 21, 23 và 25 giờ.

Tiến hành thí nghiệm 6 mẻ sấy:

- Đối với mẻ sấy 15 giờ và cấp đông 9 giờ, bắt đầu từ 11 giờ ngày 21/12/2019 đến 11 giờ ngày 22/12/2019.

Dưới đây là hình ảnh sâm đương quy trước sấy và sau sấy

* Sâm đương quy trước khi sấy

Hình 5.8: Sâm đương quy trước quá trình thí nghiệm

*Sâm đương quy sau khi sấy

Hình 5.9: Sâm đương quy sau quá trình thí nghiệm mẻ 15 giờ

Hình 5.10: Sâm đương quy thành phẩm mẻ sấy 15 giờ

5.2.2 Các số liệu tương quan thể hiện thông qua đồ thị và nhận xét

*Tương quan giữa thời gian sấy với độ ẩm cuối quá trình sấy và điện năng tiêu thụ.

Hình 5.21: Đồ thị thể hiện tương quan giữa thời gian sấy với độ ẩm cuối quá trình và điện năng tiêu thụ

W1 – Độ ẩm vật liệu trước khi sấy (%)

W2 – Độ ẩm vật liệu sau khi sấy (%)

Độ ẩm ban đầu W1 của vật liệu sấy trong 6 mẻ đều đạt 74%, và độ ẩm sau quá trình sấy giảm từ 15,8% xuống 9,8% ở mẻ 6, đạt yêu cầu Mẻ 6 có thời gian cấp đông 9 giờ và thời gian sấy 25 giờ, tiêu thụ tổng cộng 42,7 kWh điện năng Sản phẩm sâm Đương quy sau khi sấy đạt độ khô mong muốn, giữ được màu sắc, hương vị và dược tính, giúp bảo quản lâu dài mà không lo mất chất lượng.

*Tương quan giữa thời gian sấy, thời gian chạy điện trở, thời gian chạy bơm và độ ẩm cuối quá trình

Hình 5.22: Đồ thị thể hiện tương quan giữa thời gian sấy, thời gian chạy điện trở, thời gian chạy bơm và độ ẩm cuối quá trình sấy

TG Điện Trở – Tổng thời gian chạy điện trở trong cả mẻ (phút)

TG Bơm – Tổng thời gian chạy bơm chân không trong cả mẻ (phút)

Nhận xét: Điện trở chạy 1,5 phút – nghỉ 17,5phút và bơm chân không chạy 6 phút

Thời gian chạy điện trở và bơm chân không cần tăng theo từng mẻ để đảm bảo hút ẩm hiệu quả và duy trì độ chân không Cụ thể, thời gian chạy điện trở và bơm chân không lần lượt là 71 phút – 487 phút, 80,5 phút – 551,8 phút, 90 phút – 616,7 phút, 99,5 phút – 681,6 phút, 109 phút – 746,5 phút và 118,5 phút - 811,5 phút cho các mẻ sấy kéo dài từ 15 giờ đến 25 giờ Độ ẩm vật liệu sau quá trình sấy đạt lần lượt là 15,8%, 14,2%, 13,5%, 12,43%, 11,05% và 9,8%.

*Tương quan giữa thời gian sấy, điện năng tiêu thụ trung bình trên giờ và điện năng tiêu thụ trên 1kg vật liệu sấy

Đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa thời gian sấy và mức tiêu thụ điện năng, bao gồm điện năng tiêu thụ trung bình theo giờ và trên mỗi kilogram vật liệu sấy Cụ thể, điện năng tiêu thụ trung bình trên 1kg vật liệu sấy được đo bằng kWh/kg, trong khi điện năng tiêu thụ trung bình theo giờ được ghi nhận bằng kW.

Trong quá trình vận hành, thời gian tổng cộng cho các mẻ sấy từ 15 đến 25 giờ lần lượt là 24 giờ, 26 giờ, 28 giờ, 30 giờ, 32 giờ và 34 giờ, với thời gian cấp đông là 9 giờ Mức tiêu thụ điện năng trung bình mỗi giờ E2 cho từng mẻ sấy là 0,9917 kW, 0,9923 kW, 1,043 kW, 1,077 kW, 1,141 kW và 1,256 kW Ngoài ra, hao phí điện năng cho mỗi kg vật liệu sấy cũng tăng dần theo từng mẻ.

Điện năng tiêu thụ trong quá trình sấy tăng dần theo thời gian, với các chỉ số tiêu thụ dao động từ 17 kWh/kg đến 30,5 kWh/kg Mẻ sấy cuối cùng (mẻ 6) có thời gian sấy lâu nhất và tiêu thụ điện năng trung bình cao nhất trên 1kg vật liệu sấy, đạt độ ẩm dưới 10% Ngoài ra, điện năng tiêu thụ trung bình trên giờ và trên 1kg vật liệu sấy còn phụ thuộc vào các điều kiện như áp suất và nhiệt độ trong quá trình sấy.

*Tương quan giữa áp suất bay hơi, áp suất ngưng tụ, áp suất chân không theo thời gian.

Hình 5.24: Đồ thị thể hiện tương quan giữa áp suất bay hơi, áp suất ngưng tụ, áp suất chân không theo thời gian trong mẻ 15 giờ

Po – Áp suất bay hơi (bar)

Pk – Áp suất ngưng tụ (bar)

Pck – Áp suất bay hơi (mbar)

Trong quá trình sấy, áp suất ngưng tụ Pk và áp suất bay hơi Po chỉ biến đổi trong 30 phút đầu, sau đó duy trì sự ổn định tương đối trong suốt thời gian còn lại của mẻ sấy Cụ thể, Pk trong 30 phút đầu tiên có sự thay đổi đáng kể.

Từ 11 giờ đến 11 giờ 30, áp suất Pk giảm từ 19 bar xuống 18 bar, sau đó ổn định ở mức 18 bar trước khi giảm xuống mức thấp nhất là 16 bar vào lúc 18 giờ 50 đến 23 giờ 15 Sự giảm áp suất ngưng tụ chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Áp suất bay hơi Po cũng giảm nhanh từ 2 bar xuống 1,5 bar trong khoảng thời gian từ 11 giờ đến 11 giờ 30, sau đó ổn định ở mức 1,5 bar, với mức thấp nhất đạt khoảng 1,4 bar vào lúc 20 giờ 30 Áp suất chân không Pck trong buồng giảm nhanh từ áp suất môi trường (0 mbar) xuống -1000 mbar trong 25 phút, đạt -950 mbar sau 25 phút bơm và -1000 mbar sau 5 phút tiếp theo, sau đó ổn định trong suốt quá trình sấy.

Trong khoảng thời gian từ 11 giờ đến 12 giờ 40, áp suất ngưng tụ Pk và áp suất bay hơi Po có sự thay đổi đáng kể, sau đó ổn định trong suốt quá trình sấy Cụ thể, Pk giảm từ 19 bar xuống 16 bar trong 2 giờ đầu tiên, và từ 12 giờ 45, Pk duy trì ở mức trung bình 16 bar, với mức giảm chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Mức Pk thấp nhất đạt 14,5 bar vào lúc 2 giờ 50 sáng Tương tự, áp suất bay hơi Po cũng giảm trong 2 giờ đầu (từ 11 giờ đến 12 giờ 35) trước khi ổn định.

Vào lúc 3 giờ 30 sáng, áp suất thấp nhất đạt khoảng 1,2 bar Áp suất chân không Pck trong buồng giảm từ áp suất môi trường (0mbar) xuống mức yêu cầu (-1000mbar) nhanh chóng trong khoảng 25 phút Chỉ sau 20 phút khởi động bơm, Pck đã đạt -950mbar và chỉ 5 phút sau đó, Pck đạt -1000mbar, duy trì ổn định trong suốt quá trình sấy.

Trong quá trình sấy, áp suất ngưng tụ Pk và áp suất bay hơi Po có sự thay đổi rõ rệt trong 1 giờ đầu, sau đó ổn định Cụ thể, Pk giảm nhẹ từ 18 bar xuống 17,5 bar trong 2 giờ đầu (từ 11 giờ đến 12 giờ 45), tiếp tục giảm xuống 16 bar vào lúc 20 giờ 15 và duy trì mức này Mức Pk thấp nhất, khoảng 15,5 bar, đạt được vào lúc 22 giờ 25 Tương tự, Po cũng giảm nhanh trong 1 giờ đầu và sau đó ổn định, với mức thấp nhất khoảng 1,2 bar Áp suất chân không Pck trong buồng giảm từ áp suất môi trường (0 mbar) xuống Pck yêu cầu (-1000 mbar) trong 25 phút; đạt -900 mbar sau 20 phút và -1000 mbar sau 5 phút tiếp theo, sau đó ổn định trong suốt quá trình sấy.

Trong quá trình sấy, áp suất ngưng tụ Pk và áp suất bay hơi Po có sự biến đổi rõ rệt, đặc biệt trong 1 giờ đầu tiên Cụ thể, Pk giảm từ 19 bar xuống 17 bar trong khoảng thời gian từ 11 giờ đến 12 giờ 15, sau đó ổn định ở mức 16,5 bar, với mức giảm chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Đến 4 giờ 15, Pk đạt khoảng 15 bar Tương tự, Po cũng giảm nhanh trong 1 giờ đầu và sau đó ổn định, với mức thấp nhất ghi nhận khoảng 1,1 bar Áp suất chân không Pck trong buồng giảm từ áp suất môi trường (0 mbar) xuống mức yêu cầu (-1000 mbar) trong khoảng 25 phút, bắt đầu từ lúc khởi động bơm cho đến 20 phút sau.

Pck đạt -950mbar và 5 phút sau đó Pck đạt -1000mbar và sau đó ổn định trong suốt mẻ sấy.

P – Áp suất bay hơi (mbar)

Trong quá trình sấy, áp suất ngưng tụ Pk và áp suất bay hơi Po có sự thay đổi đáng kể trong 30 phút đầu, sau đó duy trì ổn định Cụ thể, Pk giảm từ 18bar xuống 17bar trong 30 phút đầu và ổn định ở mức 17bar, với mức giảm chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường Mức Pk thấp nhất đạt khoảng 15bar vào lúc 6 giờ 10 Tương tự, Po cũng giảm nhanh trong 30 phút đầu và đạt mức thấp nhất khoảng 1 bar Áp suất chân không Pck trong buồng từ áp suất môi trường (0mbar) giảm xuống mức yêu cầu (-1000mbar) trong khoảng 15 phút, đạt -950mbar sau 15 phút và -1000mbar sau 5 phút tiếp theo, sau đó ổn định trong suốt quá trình sấy.

Trong quá trình sấy, áp suất ngưng tụ Pk và áp suất bay hơi Po có sự biến đổi rõ rệt trong 1 giờ 30 phút đầu tiên, sau đó duy trì ổn định Cụ thể, Pk giảm từ 19 bar xuống 17 bar trong 90 phút đầu, với mức thấp nhất khoảng 16 bar vào lúc 23 giờ 55, chủ yếu chịu ảnh hưởng từ nhiệt độ môi trường Tương tự, Po cũng giảm nhanh trong khoảng thời gian này và đạt mức thấp nhất khoảng 1,1 bar Áp suất chân không Pck trong buồng từ 0 mbar giảm xuống -1000 mbar chỉ trong 15 phút, đạt -950 mbar sau 10 phút và ổn định ở -1000 mbar sau 5 phút tiếp theo trong suốt quá trình sấy.

*Tương quan giữa nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ môi trường và nhiệt độ buồng theo thời gian.

Đồ thị trong Hình 5.30 minh họa mối quan hệ giữa nhiệt độ bay hơi, nhiệt độ ngưng tụ, nhiệt độ môi trường và nhiệt độ trong buồng trong suốt 15 giờ của một mẻ sản xuất Các yếu tố này có sự tương tác chặt chẽ, ảnh hưởng lẫn nhau theo thời gian.

To – Nhiệt độ bay hơi ( o C)

Tk – Nhiệt độ ngưng tụ ( o C)

Tmt – Nhiệt độ môi trường ( o C)

Bàn luận và đánh giá thí nghiệm

Thời gian cấp đông tối ưu cho 1,4kg sâm đương quy là 9 giờ, trong khi độ ẩm của vật liệu giảm dần khi thời gian sấy tăng lên Tiêu thụ điện năng cũng tăng theo thời gian sấy Qua 6 mẻ sấy với thời gian cấp đông cố định, thời gian sấy lý tưởng được xác định là 25 giờ, với độ ẩm cuối cùng đạt 9,8%, đáp ứng yêu cầu Áp suất ngưng tụ và bay hơi thay đổi trong 1 giờ 30 phút đầu và sau đó ổn định trong suốt quá trình sấy Áp suất chân không trong buồng giảm nhanh chóng từ áp suất môi trường xuống mức yêu cầu trong khoảng 25 phút và duy trì ổn định trong suốt mẻ sấy.

Nhiệt độ ngưng tụ và nhiệt độ bay hơi biến đổi tương tự như áp suất ngưng tụ và áp suất bay hơi, diễn ra trong khoảng thời gian 1 giờ 30 phút đầu và sau đó duy trì ổn định trong toàn bộ quá trình sấy.

Định dạng
Số trang	110
Dung lượng	13,56 MB