Sấy là một quá trình công nghệ được sử dụng rất nhiều trong các công nghệ sản xuất và đời sống thực tế. Đặc biệt, trong các ngành công nghiệp thực phẩm, chế biến, hóa chất, sản xuất vật liệu xây dựng,…kỹ thuật sấy đóng một vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất. Sản phẩm sau khi sấy có độ ẩm thích hợp thuận tiện cho việc bảo quản , vận chuyển, chế biến, đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm. Một trong những quá trình quan trọng trong công nghệ sản xuất là sấy khoai lang. Khoai lang không những là cây trồng quan trọng cung cấp lương thực cho con người mà nó còn cung cấp nguồn thức ăn cho chăn nuôi. Gần đây nhiều ý kiến cho rằng khoai lang sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết vấn đề lương thực toàn cầu của thế kỷ 21 - Khoai lang sẽ là một cây lương thực đặc biệt quan trọng ở các nước Châu Á và Châu Phi, những nơi mà dân số sẽ tăng mạnh trong tương lai. Một số giống khoai lang củ có chứa lượng vitamin, chất khoáng và protein cao hơn nhiều loại rau khác.Để đáp ứng được nhu cầu đó thì vấn đề đặt ra là ta sẽ vận chuyển ra sao, với khối lượng khoai lang không hề ít như vậy. Do đó phải đòi hỏi sự góp mặt của các dây chuyền sản xuất công nghệ và sấy chính là giải pháp . Sấy đã giúp cho công việc bảo quản và vận chuyển đường được thuận lợi, đồng thời hành thành phẩm bảo đảm chất lượng cũng như giá trị cảm quan. Do tính chất và thành phần của khoai lang khi sấy phải giữ được những tính chất về giá trị cảm quan và giá trị dinh dưỡng nên có thể sử dụng môt số loại thiết bị như sấy tủ, sấy buồng, sấy thùng quay, sấy hầm…Tuy nhiên thông dụng nhất trong sấy hiện nay là kiểu sấy buồng .Đặc điểm của hệ thống sấy buồng , do tính chất cấu tạo của nó , là một hệ thống sấy chu kì từng mẻ một. Do đó năng suất sấy không lớn. Tuy nhiên , nó có thể sấy được nhiều dạng vật liệu sấy khác nhau từ vật liệu dạng cục, hạt đến các vật liệu dạng thanh, tấm . Trên cơ sở những kiến thức đã được học và sự hướng dẫn của thầy giáo TS. Nguyễn Đức Trung trong đồ án môn học này, em xin trình bày đề tài về“ Tính toán thiết kế buồng sấy, sấy khoai lang với năng suất 150kg/mẻ ” với nội dung bao gồm các phần sau : Chương 1 :Tổng quan về nguyên liệu Chương 2: Tổng quan về công nghệ và thiết bị Chương 3: Tính toán công nghệ sấy Chương 4: Tính toán thiết bị phụ
Tổng quan về nguyên liệu 5
Giới thiệu về cây khoai lang 5
Cây khoai lang có thời gian sinh trưởng ngắn, khoảng 120 - 130 ngày, nhưng lại chứa thành phần dinh dưỡng cao, vượt trội so với nhiều loại cây trồng khác Nghiên cứu cho thấy khoai lang đứng đầu trong số 7 cây lương thực quan trọng ở các nước đang phát triển về năng suất năng lượng, cung cấp 201MJ/ha/ngày, gần tương đương với cây khoai tây.
(205MJ/ha/ngày), cao hơn nhiều so với cao lương, lúa, lúa mì, sắn, ngô.
Thành phần và tính chất hóa học 5
Gluxit là thành phần chính trong chất khô, chiếm 80-90% tổng lượng chất khô (24-27% trọng lượng chất tươi), chủ yếu bao gồm tinh bột và đường, cùng với một số hợp chất khác như pectin và hemicellulose Tỷ lệ gluxit thay đổi tùy thuộc vào giống và độ chín của củ, cũng như thời gian bảo quản, nấu nướng và chế biến Sự biến động này ảnh hưởng đáng kể đến các yếu tố chất lượng như độ cứng, độ khô, cảm giác ngon miệng và hương vị.
Tinh bột là thành phần chính của gluxít, chiếm từ 60-70% chất khô trong củ khoai lang Giống khoai lang là yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến hàm lượng tinh bột, bên cạnh đó còn có các yếu tố khác như thời vụ, địa điểm trồng, loại phân bón, thời gian thu hoạch, thời gian bảo quản, cũng như cách nấu nướng và chế biến.
Hàm lượng đường tổng số trong củ khoai lang ở Việt Nam dao động từ 12,26%, và sự biến động này phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bản chất di truyền của giống khoai lang, thời gian thu hoạch và phương pháp bảo quản.
- 18,52% chất khô và từ 3,63 - 6,77% chất tươi) Trong củ khoai lang tươi những đường chủ yếu là saccaroza, glucoza và fructoza, đường mantoza cũng có nhưng với một lượng nhỏ.
Xơ tiêu hóa bao gồm các hợp chất như pectin, hemixenlulose và xenlulose, có khả năng giảm nguy cơ mắc các bệnh ung thư, bệnh đường tiêu hóa, tiểu đường và bệnh tim mạch Đặc biệt, pectin đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các tính chất lưu hoá, góp phần vào sức khỏe tổng thể.
1.2.2 Protein và các axit amin.
● Trung bình hàm lượng protein thô là 5% chất khô và 1,5% chất tươi.
● Hàm lương protein tùy thuộc vào giống, điều kiện canh tác, điều kiện môi trường.
Nghiên cứu chỉ ra rằng khoai lang vụ xuân chứa hàm lượng protein cao hơn so với vụ đông Bên cạnh đó, khoai lang được trồng ở vùng ôn đới có lượng protein thấp hơn so với khoai lang ở vùng nhiệt đới.
● Lượng phân đạm cao trong đất cũng dẫn đến lượng protein trong củ cao hơn.
● Tuy nhiên cần chú ý lượng protein trong củ tăng dẫn đến lượng nước tăng, lượng tinh bột giảm, gây khó khăn cho quá trình bảo quản.
Khoai lang là nguồn cung cấp vitamin C phong phú, đồng thời cũng chứa nhiều vitamin nhóm B như B1, B2, B5, B6 và axit folic Ngoài ra, khoai lang, đặc biệt là giống ruột vàng, còn là nguồn cung cấp caroten (tiền vitamin A) cần thiết cho cả con người và gia súc.
● Vitamin C thường dao động trong khoảng 20-50mg/100g chất tươi.Lượng vitamin C cũng phụ thuộc vào từng loại giống.
Caroten, hay còn gọi là tiền vitamin A, đóng vai trò dinh dưỡng quan trọng cho cả con người và gia súc Thiếu hụt vitamin A có thể gây ra nhiều bệnh lý về mắt, thậm chí dẫn đến tình trạng mù lòa.
● Hàm lượng tro trung bình khoảng 1% chất tươi.
● Hàm lượng Kali nhiều nhất sau đó đến P, Mg, Ca.
● Ngoài ra còn có một số nguyên tố vi lượng như Zn, Cl, Fe, Cu,
Mn Thậm chí còn có một số chất như Ni, Pb, Hg, Si.
● Hàm lượng khoáng phụ thuộc vào giống, nơi trồng, điều kiện chăm bón.
Sắc tố caroten đóng vai trò quan trọng trong việc xác định màu sắc của thịt ruột củ, như màu kem, da cam, vàng và tím, phụ thuộc vào hàm lượng β-caroten Tỉ lệ caroten thường cao ở các giống củ có ruột vàng và vàng đậm, trong khi các giống ruột màu trắng thường không chứa caroten.
● β-Caroten là hoạt tính tiền vitamin A.
1.2.6 Độc tố và các chất ức chế
● Độc tố trong khoang lang thường gây độc cho gan và phổi Đó là các độc tố furanotecpenoit, sesquitecpen hay ipoeamaron.
● Những độc tố này sinh ra thường do sâu bọ, nấm mốc xâm nhập.
Enzim α-amilaza đóng vai trò quan trọng trong quá trình cắt mạch và tổng hợp các chất trong tế bào củ, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng bảo quản của sản phẩm.
● Enzym amylaza bao gồm α - amylaza và β- amylaza.
● α -amylaza có khả năng phân cách ngẫu nhiên mối liên kết 1 - 4 glucozit, thủy phân tinh bột chủ yếu tạo thành một lượng dextrin mantoza và glucoza.
● β - amilaza thủy phân tinh bột chủ yếu tạo mạch mantoza và một lượng nhỏ dextrin phân tử lớn.
● Ngoài enzym amylaza còn có enzym polyphenol oxyclaza cũng gây ảnh hưởng đến chất lượng cảm quan, màu sắc và các sản phẩm
Ứng dụng của khoai lang 7
Khoai lang là một loại thực phẩm phổ biến trên toàn thế giới, được trồng ở nhiều quốc gia Nó không chỉ được sử dụng làm lương thực cho con người mà còn là nguồn thức ăn cho gia súc Ngoài ra, khoai lang còn được chế biến thành nhiều sản phẩm khác nhau trong ngành công nghiệp.
Theo số liệu thống kê của Tổ chức Lương thực - Nông nghiệp thế giới (FAO) thì củ khoai lang trên thế giới được sử dụng như sau:
● Số bị loại thải, bỏ đi : 6%
● Việc sử dụng khoai lang nhiều vào mục đích nào phụ thuộc trình độ phát triển của các nước trồng.
Tổng quan về công nghệ và thiết bị 8
Tổng quan về công nghệ 8
Sấy là quá trình tách ẩm ra khỏi vật liệu nhằm tránh hư hỏng trong quá trình bảo quản, tăng độ bền cho sản phẩm.
Tách nước khỏi vật liệu rắn hoặc dung dịch là một quá trình kỹ thuật quan trọng và phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt là ngành hóa chất và thực phẩm.
● Giảm chi phí chuyên chở và đồng thời nó cũng làm tăng giá trị cảm quan cho sản phẩm.
● Ngăn cản vi sinh vật như nấm mốc, nấm men, vi khuẩn phát triển.
Việc loại bỏ nước tự do trong sản phẩm không chỉ làm giảm hoạt độ của nước mà còn giúp làm chậm các quá trình sinh học, từ đó nâng cao khả năng bảo quản thực phẩm lâu dài hơn.
● Là công đoạn sơ chế cho các bước chế biến tiếp theo.
2.1.3.Các phương pháp tách ẩm
Tùy thuộc vào tính chất và độ ẩm của vật liệu, cũng như yêu cầu và mức độ khô cần thiết, có nhiều phương pháp khác nhau để tách ẩm ra khỏi vật liệu.
Phương pháp cơ học là kỹ thuật sử dụng các thiết bị như máy ép, máy lọc và máy ly tâm để tách nước khỏi vật liệu Phương pháp này thường được áp dụng khi không cần tách triệt để, mà chỉ cần loại bỏ một phần nước sơ bộ.
Phương pháp hóa lý sử dụng hóa chất có khả năng hút nước cao, như CaCl2 khan hoặc H2SO4 đậm đặc, để tách ẩm khỏi vật liệu Mặc dù phương pháp này hiệu quả, nhưng chi phí cao và quy trình phức tạp khiến nó chủ yếu được áp dụng để hút ẩm trong hỗn hợp khí nhằm bảo quản máy móc và thiết bị.
● Phương pháp nhiệt: Dùng nhiệt năng làm bốc hơi nước ra khỏi vật liệu, được sử dụng rộng rãi nhất trong công nghiệp và trong đời sống.
2.1.4 Phân loại phương pháp sấy.
Sấy tự nhiên là phương pháp sử dụng năng lượng tự nhiên như năng lượng mặt trời và gió để làm bay hơi nước Mặc dù đơn giản, tiết kiệm chi phí và không tiêu tốn năng lượng, phương pháp này có nhược điểm là không điều chỉnh được tốc độ sấy theo yêu cầu kỹ thuật, dẫn đến năng suất thấp và phụ thuộc vào thời tiết Ngoài ra, sấy tự nhiên cần diện tích bề mặt lớn và điều kiện vệ sinh kém, vì vậy thường được áp dụng trong sản xuất quy mô nhỏ hoặc hộ gia đình.
Sấy nhân tạo là phương pháp sử dụng năng lượng do con người tạo ra để làm khô các vật liệu ẩm, thường được thực hiện trong các thiết bị sấy chuyên dụng.
Sấy nhân tạo có nhiều dạng:
● Sấy đối lưu: là phương pháp sấy cho tiếp xúc trực tiếp vật liệu sấy với không khí nóng, khói lò,…( gọi là tác nhân sấy ).
Sấy tiếp xúc là phương pháp sấy mà trong đó tác nhân sấy không tiếp xúc trực tiếp với nhiệt độ sấy Thay vào đó, nhiệt được truyền cho vật liệu sấy một cách gián tiếp qua một vách ngăn.
● Sấy bằng tia hồng ngoại: là phương thức sấy dùng năng lượng của tia hồng ngoại do nguồn điện phát ra truyền cho vật liệu sấy.
Sấy bằng dòng điện cao tần là phương pháp sử dụng năng lượng điện trường tần số cao để làm nóng đồng đều toàn bộ chiều dày của lớp vật liệu.
Sấy thăng hoa là một phương pháp sấy hiệu quả, diễn ra trong môi trường chân không cao và nhiệt độ thấp Quá trình này giúp ẩm tự do trong vật liệu đóng băng và bay hơi trực tiếp từ trạng thái rắn thành hơi mà không trải qua giai đoạn lỏng.
2.1.5.Nguyên lí của quá trình sấy.
Quá trình sấy là một quá trình chuyển khối phức tạp, bao gồm khuếch tán bên trong và bên ngoài vật liệu rắn cùng với truyền nhiệt Đây là quá trình nối tiếp, chuyển nước từ pha lỏng sang pha hơi và tách hơi ra khỏi vật liệu Động lực của quá trình này là sự chênh lệch độ ẩm giữa bên trong và bề mặt vật liệu Khuếch tán chuyển pha chỉ diễn ra khi áp suất hơi trên bề mặt lớn hơn áp suất hơi riêng phần trong không khí Vận tốc của quá trình phụ thuộc vào giai đoạn chậm nhất, và nhiệt độ cũng đóng vai trò quan trọng, có thể thúc đẩy hoặc cản trở việc di chuyển độ ẩm ra ngoài bề mặt vật liệu.
Trong quá trình sấy, môi trường không khí ẩm xung quanh ảnh hưởng trực tiếp đến vận tốc sấy Do đó, việc nghiên cứu các tính chất của không khí là một thông số cơ bản và cần thiết cho hiệu quả của quá trình sấy.
● Sơ đồ nguyên lý của hệ thống sấy:
2.1.6.Các loại tác nhân sấy.
Tác nhân sấy là những chất thiết yếu trong quá trình sấy, giúp vận chuyển lượng ẩm tách ra từ vật liệu Trong buồng sấy, ẩm thoát ra từ vật liệu cần được loại bỏ; nếu không, độ ẩm tương đối trong buồng sẽ tăng lên, dẫn đến việc đạt được sự cân bằng giữa vật liệu và môi trường Khi điều này xảy ra, quá trình thoát ẩm của vật liệu sấy sẽ dừng lại.
Vì vậy nhiệm vụ của tác nhân sấy :
● Gia nhiệt cho vật liệu sấy.
● Tải ẩm: mang ẩm từ bề mặt vật liệu vào môi trường.
● Bảo vệ vật liệu sấy khỏi bị hỏng do quá nhiệt.
Tùy theo phương pháp sấy mà các tác nhân sấy có thể thực hiện một hay nhiều các nhiệm vụ trên.Các loại tác nhân sấy :
Không khí ẩm là tác nhân sấy phổ biến, phù hợp cho hầu hết các sản phẩm nhờ vào những ưu điểm như sẵn có trong tự nhiên, không độc hại, và không làm ô nhiễm hay thay đổi mùi vị sản phẩm Tuy nhiên, để sử dụng không khí ẩm hiệu quả, cần trang bị bộ gia nhiệt không khí và đảm bảo nhiệt độ sấy không vượt quá 500 độ C Nếu nhiệt độ quá cao, thiết bị trao đổi nhiệt sẽ cần được chế tạo từ thép hợp kim hoặc gốm sứ, dẫn đến chi phí cao.
Khói lò là một tác nhân sấy hiệu quả, có khả năng nâng nhiệt độ sấy lên tới 1000°C mà không cần thiết bị gia nhiệt Tuy nhiên, việc sử dụng khói lò cũng gây ra ô nhiễm cho vật liệu sấy do chứa bụi và các chất độc hại như CO2, SO2.
● Hơi quá nhiệt: tác nhân sấy này được dùng cho các loại sản phẩm dễ bị cháy nổ và có khả năng chịu được nhiệt độ cao.
● Hỗn hợp không khí và hơi nước: Tác nhân sấy này chỉ dùng khi độ ẩm tương đối cao.
2.1.7 Ưu nhược điểm của quá trình sấy.
● Hàm lượng nước còn lại trong sản phẩm còn rất ít.
● Không làm thay đổi các tố chất tự nhiên của sản phẩm.
● Bảo quản thực phẩm sấy khô lâu.
● Ứng dụng rộng rãi, rẻ tiền.
Tổng quan về thiết bị 11 1.Buồng sấy 11 2 Hầm sấy 12
● Thường dùng để sấy các vật liệu dạng cục, hạt với năng suất không lớn lắm.
● Làm việc theo chu kỳ.
● Buồng sấy có thể làm bằng thép tấm 2 lớp, giữa có cách nhiệt hoặc đơn giản xây bằng gạch đỏ có cách nhiệt hoặc không.
● Dung lượng: Từ vài dm 3 → vài m 3 , nhỏ.
Tác nhân sấy chủ yếu là không khí nóng hoặc khói lò, được tạo ra từ calorife điện hoặc calorife khí-khói Calorife được bố trí dưới các thiết bị đỡ vật liệu hoặc hai bên sườn của buồng sấy để đảm bảo quá trình sấy diễn ra hiệu quả.
Thiết bị buồng sấy có cấu tạo đơn giản, dễ vận hành và không cần mặt bằng lớn, nhưng năng suất thấp và khó cơ giới hóa Với vốn đầu tư không đáng kể, thiết bị này phù hợp cho các xí nghiệp nhỏ, nơi lao động thủ công chủ yếu và chưa có đủ điều kiện tài chính để xây dựng các thiết bị sấy khác có năng suất cao và dễ cơ giới hóa.
● Nhược điểm là năng suất nhỏ.
● Được dùng khá rộng rãi trong công nghiệp, dùng để sấy các vật liệu dạng hạt, cục, lát…với năng suất cao, dễ dàng cơ giới hóa.
● Vật liệu sấy được đưa vào và lấy ra gần như liên tục.
Hầm sấy thường có chiều dài từ 10-15m hoặc hơn, với kích thước chiều cao và chiều ngang phụ thuộc vào xe goòng và khay tải vật liệu Hầm được xây dựng bằng gạch đỏ, có thể có hoặc không có cách nhiệt.
● Thiết bị chuyền tải thường là xe goong hoặc băng tải.
● Tác nhân sấy: Chủ yếu là không khí nóng.
Calorife là thiết bị dùng để gia nhiệt không khí, thường được chia thành hai loại: calorife khí-hơi và khí-khói, tùy thuộc vào nguồn nguyên liệu là hơi nước hay khói lò Thiết bị này thường được lắp đặt trên nóc hầm sấy và có hai phương pháp cung cấp tác nhân sấy: từ trên xuống hoặc từ hai bên.
Hệ thống máy sấy bao gồm các thành phần chính như calorife hoặc nguồn nhiệt trực tiếp từ buồng đốt, kết hợp với không khí tươi Ngoài ra, hệ thống còn được trang bị quạt và các thiết bị phụ trợ khác để đảm bảo hiệu quả hoạt động.
Tháp sấy là một cấu trúc hình hộp với chiều cao vượt trội so với chiều rộng và chiều dài, nơi có hệ thống kênh dẫn và kênh thải xen kẽ trong lớp vật liệu cần sấy Tác nhân sấy, thông qua kênh dẫn gió nóng, thẩm thấu vào lớp vật liệu để thực hiện quá trình trao đổi nhiệt và hấp thụ ẩm, sau đó được thải ra ngoài qua các kênh Nhiệt trong tháp sấy được cung cấp qua quá trình đối lưu giữa các dòng tác nhân di chuyển ngược chiều và cắt ngang, cũng như qua dẫn nhiệt từ bề mặt kênh dẫn và kênh thải Quá trình sấy diễn ra khi các hạt vật liệu được đưa lên từ trên cao và di chuyển xuống dưới theo hướng thẳng đứng hoặc theo kiểu dzích dzắc trong tháp.
● Các loại máy sấy phổ biến : sấy tam giác, sấy tháp tròn, sấy tháp hình thoi.
● Là thiết bị chuyên dụng để sấy các loại hạt cứng như thóc, ngô, đậu,… có độ ẩm không lớn lắm.
Thiết bị sấy thùng quay là giải pháp hiệu quả cho việc sấy các vật liệu dạng hạt, bột nhão hoặc cục, đặc biệt là những loại có độ ẩm ban đầu cao và khó tự dịch chuyển khi sử dụng thiết bị sấy tháp.
● Phần chính của thiết bị sấy thùng quay là một trụ tròn đặt nằm nghiêng một góc với mặt phẳng nào đó cố định hoặc không đổi.
● Độ điền đầy của vật liệu sấy trong thùng tùy theo cấu tạo và vật liệu sấy
● Tác nhân sấy chủ yếu của thiết bị sấy thùng quay thường là không khí nóng hoặc khói lò.
● Nó có thể chuyển động cùng chiều hoặc ngược chiều với vật liệu sấy.
● Thường dùng để sấy các vật liệu dạng hạt bé, nhẹ, xốp như than, cám, cỏ, hoặc rau băm nhỏ, các tinh thể,…
● Tác nhân sấy chủ yếu là không khí nóng hoặc khói lò.
● Phần chính là một ống thẳng, vật liệu sấy được không khí nóng hoặc khói lò cuốn từ dưới lên trên và dọc theo ống.
● Tốc độ tác nhân phụ thuộc vào chủng loại vật liệu sấy, kích thước, khối lượng riêng của hạt, có thể đạt tới 10-40mm/s.
Nhược điểm của hệ thống này là tiêu tốn năng lượng lớn, đặc biệt là điện cho quạt Ngoài ra, việc duy trì điều kiện vệ sinh công nghiệp cũng gặp nhiều khó khăn và có nguy cơ gây nguy hiểm nếu sử dụng vật liệu dễ cháy hoặc nổ.
Thiết bị sấy thùng quay chủ yếu sử dụng không khí nóng hoặc khói lò làm tác nhân sấy Quá trình sấy có thể diễn ra theo cùng chiều hoặc ngược chiều với vật liệu cần sấy.
● Thiết bị thùng quay không nên làm việc ở áp suất dương.
2.2.6 Thiết bị sấy tầng sôi
● Thường dùng để sấy các vật liệu dạng cục.
✔ Ưu điểm: Cường độ sấy lớn có thể đạt hàng trăm kg ẩm/m3
✔ Dễ dàng điều chỉnh nhiệt độ sấy và vật liệu sấy khá đồng đều.
● Nhược điểm : cấu tạo phức tạp.
Làm nguội Đóng gói, bảo quản
● Chuyên dùng để sấy các dịch thể Dùng để sấy các sản phẩm dạng bột hòa tan như sữa bò, sữa đậu nành, bột trứng, cafe tan…
● Bộ phận cơ bản của thiết bị sấy phun là buồng sấy, là một tháp hình trụ.
Công nghệ sấy khoai lang 14
Phân loại và gọt vỏ
Rửa sạch và để ráo nước
Xếp hành vào từng khay
Lựa chọn phương pháp sấy và chế độ sấy 15 Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống sấy buồng –Sấy khoai lang 16 3.1 Tính toán các thông số cơ bản của vật liệu 16
Có nhiều phương pháp sấy khác nhau để xử lý vật liệu, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng Đối với nguyên liệu khoai lang, chúng ta có thể lựa chọn các phương án sấy phù hợp để đảm bảo chất lượng sản phẩm cuối cùng.
Chọn phương pháp sấy đối lưu, thiết bị dùng là buồng sấy do khối lượng sấy nhỏ, sấy theo chu kỳ từng mẻ một.
Chọn không khí nóng làm tác nhân sấy cho thực phẩm là cần thiết để đảm bảo quá trình sấy sạch sẽ, không bị ô nhiễm và bụi bẩn Khay sấy được thiết kế với lưới thép giúp không khí nóng thổi qua bề mặt khoai lang và xuyên qua khay, từ đó tăng tốc độ sấy hiệu quả.
Nguồn nhiệt chính để làm nóng không khí trong buồng là calorifer khí – hơi Sau khi quá trình gia nhiệt diễn ra, lượng ẩm sẽ được thải ra môi trường thông qua hệ thống ống khí thải.
Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống sấy buồng –Sấy khoai lang Đề tài : Thiết kế thiết bị sấy buồng để sấy khoai lang thái lát với công suất 150kg /mẻ.
● Năng suất đầu ra : G20kg/mẻ
● Thời gian sấy 1 mẻ là τ=8h
● Độ ẩm của khoai lang trước khi sấy là: W1p%
● Độ ẩm của khoai lang sau khi sấy là : W2%
● Chế độ sấy không hồi lưu, một giai đoạn.
● Tác nhân sấy : Không khí ẩm
● Nhiệt độ của vật liệu sấy trước khi vào sấy là tm1% 0 C
● Nhiệt độ của vật liệu sau khi ra khỏi thiết bị sấy là tm2e 0 C
● Trạng thái không khí bên ngoài là : to% o C, φ%
● Nhiệt độ của tác nhân sấy trước khi vào và ra thiết bị là t1p 0 C, t25 0 C.
3.1 Tính toán các thông số cơ bản của vật liệu.
Sau khi sấy, khối lượng khoai lang giảm do lượng nước bay hơi Nếu coi khối lượng chất khô trong khoai lang là không đổi, phần khối lượng giảm đi tương ứng với lượng nước đã bốc hơi.
● Lượng ẩm bốc hơi là :
Lượng vật liệu đưa vào là :
Các đại lượng tính trung bình cho 1 giờ là :
● W1 , W2 là độ ẩm trước và sau khi sấy
● G1, G2 là khối lượng khoai lang trước và sau khi sấy
● W là lượng ẩm bôc hơi.
Tính toán quá trình sấy lí thuyết 17
3.2.1 Trạng thái không khí bên ngoài.( điểm A)
Không khí bên ngoài có nhiệt độ và độ ẩm tương ứng là: �
● Áp suất hơi nước bão hòa ở 25 o C là :
● Lượng chứa ẩm d0 ( là lượng hơi nước chứa trong 1kg không khí khô)
Entanpy của không khí ẩm là entanpy của không khí khô và hơi nước :
Trong đó : + Cpk là nhiệt dung riêng của không khí khô: Cpk=1,004 kJ/kgK
+ r là nhiệt ẩm hóa hơi của hơi nước : r %00 kJ/kg
+ Cph là nhiệt dung riêng của hơi nước : Cph=1,842 kJ/kgK
● Khối lượng riêng của không khí khô :
Khối lượng riêng của không khí khô là khối lượng của một thể tích không khí.
3.2.2 Trạng thái không khí vào buồng sấy.( điểm B) t1p 0 C; d1=d0=0,0173 kg/kgkk
Từ đó ta xác định được trạng thái không khí sau khi ra khỏi calorifer hay chính là trạng thái không khí vào buồng sấy.
● Áp suất hơi nước bão hòa ở 80 o C là : p = exp ( 12 - 4026,24 ) = exp ( 12 - 4026,24 ) =0,308 bar s1 235,5 + + + + + + + + + + + + + + +
Trong đó : + p là áp suất của không khí ẩm pt5mmHg333N/m 2
+ ps1 là áp suất bão hòa tại nhiệt độ t1
● Khối lượng riêng của không khí khô:
● Thể tích không khí ẩm chứa 1 kg không khí khô là: vB= 0,972 m 3 /kg kkk
3.2.3 Trạng thái không khí ra khỏi buồng sấy.(điểm C)
Entanpy của không khí không đổi : I2=I15,8 kJ/kgkk Chọn nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi buồng sấy là 35 0 C
Chọn nhiệt độ tác nhân sấy ra khỏi buồng sấy là 35 0 C
● Áp suất hơi bão hòa tại nhiệt độ t25 0 C p = exp ( 12 - 4026,24 ) = exp ( 12 - 4026,24 ) = 0,056 bar s2 235,5 + + + + + + + + + + + + + + +
● Độ ẩm tương đối φ là :
● Thể tích không khí ẩm chứa 1 kg không khí khô là: vC= 0,872 m3/kg kkk
3.2.4 Lượng không khí khô lí thuyết
● Lượng không khí khô cần thiết để bốc hơi 1kg ẩm tương ứng là:
● Lượng không khí bốc hơi trong 1 giờ là :
Theo phụ lục 3- trang 374 - [1], thể tích không khí ẩm chứa 1kg không khí khô trước và sau quá trình sấy là: � = 0,972 � /kgkk (ở � p℃, φ =8,7% ) và �
● Lượng thể tích của tác nhân sấy tại điểm B là :
● Lượng thể tích của tác nhân sấy
● Lượng thể tích trung bình của quá trình sấy lý thuyết � :
Trạng thái không khí bên ngoài
Trang thái không khí khi đi vào buồng sấy
Không khí sau khi đi ra khỏibuồng sấy t0% 0 C t1p 0 C t25 0 C φ % φ = 8, 7% φ = 85, 5%
0 1 2 d0=0,0173kg ẩm/kgkk d1=0,0173kg ẩm/kgkk d2=0,0315kg ẩm/kgkk
I0i,1 kJ/kgkk I15,8 kJ/kgkk I25,8kJ/kgkk
3.3 Xác định các kích thước cơ bản của buồng sấy
Khay sấy được làm bằng thép với thiết kế dạng lưới nhằm nâng cao hiệu suất sấy Kích thước khay sấy được chọn sao cho mỗi khay cách nhau 100 mm, tạo khoảng thông khí tối ưu giữa các khay.
Chiều dài khay : Lk0mm
Chiều rộng khay : Bks0mm
Chiều cao khay : Hk0mm
3.3.2 Chọn kích thước xe goong
Chọn xe có kích thước :
Chiều dài xe : Lx0mm
Chiều rộng xe : Bxy0mm
Chiều cao xe : Hx00mm
Bánh xe đường kính d0mm ;4 xe gắn ở 4 góc. τ
● Mỗi xe đặt 13 khay, theo đó là 26 thanh chữ L để 2 bên để có thể giữ cho khay được cân ta dung thanh chữ L
● Mỗi khay đặt 8,5kg nguyên liệu.
● Số xe goong cần thiết là :
Chiều dày thành xe là 20mm
Trong đó : + ∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆ là chiều dài kênh dẫn khí
+ ∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆ là khoang cách giữa 2 xe.
Trong đó : + ∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆ là khoảng cách từ tường đến xe
+ ∆ là khoảng cách giữa 2 xe.
Với:+ d 0mm là đường kính của bánh xe.
Khoảng cách d’0mm được xác định là khoảng cách giữa mặt đáy của xe và phần trên bánh xe Trong khi đó, ∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆ là khoảng cách giữa vật liệu trên khay trên cùng của xe và trần buồng Kích thước phủ bì của buồng cũng cần được xem xét để đảm bảo sự phù hợp trong thiết kế.
● Chiều dài phủ bì của buồng là :
● Chiều rộng phủ bì của buồng là :
● Chiều cao phủ bì của buồng là :
( Với δ =5mm là chiều dày lớp thép bao bên ngoài, δ2mm là chiều
1 dày lớp thép bên trong tường buồng sấy, δ = 7555555555555555 là lớp bông thủy tinh cách
� nhiệt,δg là chiều dày lớp gạch nền)
● Khối lượng vật liệu trên 1 xe là :8,5.130,5 kg
● Số lượng khay là : 4.13R khay
● Khối lượng xe goong là : 90kg
● Khối lượng xe đã chất vật liệu là : m0,5+90 0,5kg
Tính toán các quá trình sấy thực tế 22
3.4.1 Xác định các tổn thất
3.4.1.1 Tổn thất do vật liệu mang đi Để tính được tổn thất do vật liệu sấy mang đi thì trước hết ta phải biết được nhiệt độ vật liệu sấy ra khỏi buồng sấy , thường thì thấp hơn nhiệt độ tác nhân sấy 5-10℃ , ta chọn chênh lệch 5℃ Vậy nhiệt độ vật liệu ra khỏi thiết bị sấy là 65 o C.
Trong đó : + G m : Lượng vật liệu ra khỏi thiết bị.
+ C m : Nhiệt dung riêng của vật lieu ra khỏi thiết bị.
+ t m1 , t m2 , là nhiệt độ ra và vào của vật liệu sấy
+ C n : Nhệt dung riêng của nước
+ W 2 : độ ẩm tuyệt đối của vật liệu ra khỏi thiết bị.
+ C k : Nhiệt dung riêng của vật khô tuyệt đối ( Ck=1,88kJ/kgK)
● Nhiệt dung riêng của vật liệu tra khỏi thiết bị là :
● Tổn thất do vật liệu sấy mang đi :
3.4.1.2 Tổn thất do thiết bị vẩn chuyển
● Khối lượng xe goong , chọn mxekg Xe làm bằng thép CT3 có nhiệt dung riêng là C=0,5 kJ/kgK
● Vì xe làm bằng thép nên nhiệt độ xe goong ra khỏi buồng lấy bằng nhiệt độ của tác nhân sấy trong buồng : tx2p℃
3.4.1.3 Tổn thất do tỏa nhiệt vào môi trường
● α theo công thức kinh nghiệm
Gọi t w1 , t w2 , là nhiệt độ mặt bên trong và bên ngoài thành tường. t là nhiệt độ trung bình bên trong buồng :
� = 70+35 0 f1 t f2 là nhiệt độ bên ngoài buồng
Hệ số dẫn nhiệt của tường : λ=0,058(W/m.độ)
Chọn t w1 Q,54 0 C.Chọn chế độ không khí bên ngoài chảy rối.
● Mật độ dòng nhiệt do trao dổi nhiệt giữa tác nhân sấy và mặt trong là :
● Mật độ dòng nhiệt do đối lưu tự nhiên từ mặt ngoài của tường với môi trường bên ngoài là :
Hệ số truyền nhiệt giữa tác nhân sấy trong buồng và tường là :
● Tổn thất qua tường bao quanh là :
● Tổn thất qua trần là :
Hệ số cấp nhiệt là : 1,3.α =1,3.2,9=3,77(W/m 2 K)
Mật độ dòng nhiệt tổn thát qua nền lấy theo kinh nghiệm qnW(W/m 2 )
Qn=3,6.Fn.qn= Qn=3,6.5,4.5708,1(kJ/h)
Cửa hầm sấy được làm bằng hầm thép: δ12 = 0,015m , λ1 = 0,16 W/m.°K, có lớp cách nhiệt bằng bông thủy tinh dày δp= 0,0075m , λ2 = 0,058 W/m.°K
● Tổng tổn thất vào môi trường là :
Qmtr=Qxq+Qtr+Qn +QcU3,3+310,1+1108,1+253,9"25,4(kJ/h)
3.4.2 Tính toán quá trình sấy thực tế
Với : + i2 : entanpy của hơi nước
+ Cph : Nhiệt dung riêng của hơi nước Cph=1,842 kJ/kgK
+ Cpk : Nhiệt dung riêng của không khí khô.Cpk=1,004 kJ/kgK
● Lượng không khó khô cần thiết bốc hơi 1kg ẩm vật liệu sấy là :
● Lượng không khí khô bốc hơi trong 1 giờ là :
3.4.3 Tính toán cân bằng nhiệt
● Tổn thất nhiệt do tác nhân sấy mang đi :
● Tổng lượng nhiệt có ích và các tổn thất là :
Sai số =∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆ /qA,28/3175,6=0,013=1,3% thỏa mãn điều kiện sai số.
Hiệu suất của thiết bị sấy là : H= �
● Thể tích của không khí chứa 1 kg không khí khô bằng: vC = 0,872 m 3 /kgkkk
Lưu lượng thể tích nhân sấy trước khi vào buồng :
Lưu lượng thể tích tác nhân sấy sau khi ra khỏi buồng:
Lưu lượng thể tích trung bình của tác nhân sấy đi vào buồng:
= 2275,85 m 3 /h Khối lượng riêng của tác nhân sấy trong quá trình thực là ρ = � = 2468,4 = 1,08 kg/ 3
Chương 4 : Tính toán các thiết bị phụ trợ
● Nhiệt lượng mà calorifer cần cung cấp cho tác nhân sấy Q là: Q= L ×(� - � ) kJ/h
L0: là lượng không khí khô cần thiết cho quá trình sấy thực tế, kg/h
� , � : Entanpy của tác nhân sấy trước và sau khi ra khỏi calorifer, kJ/kgkk
● Công suất nhiệt của calorifer:
Trong đó: Q: nhiệt lượng đưa vào buồng sấy, kW hay kJ/h
� : hiệu suất nhiệt của calorifer, 0,95 ÷ 0,97
● Tiêu hao hơi nước ở Calorifer
Do nhiệt độ tác nhân sấy không quá cao nên ta chọn lò hơi có áp suất bão hòa là 5 bar
Tiêu hao hơi nước ở calorifer D= �
− ℎ entanpi của hơi vào calorifer Đây là hơi bão hòa khô ở 5 bar Vậy ih'49 kJ/kg
− entanpi của nước bão hòa, � d0 kJ/kg
● Bề mặt truyền nhiệt của calorifer F được tính theo công thức:
F: diện tích trao đổi nhiệt, bề mặt phía có cánh, 2
∆ : độ chênh lệch nhiệt độ trung bình giữa hơi và không khí, ℃
�: hệ số truyền nhiệt của thiết bị, W/� K
Hệ số truyền nhiệt và trở lực thủy lực của thiết kế K∅ đối với không khí được trình bày trong bảng 4, trang 181 Với giá trị k = 20,8 W/ (m²·K) và lưu tốc không khí đạt 4 kg/(m²·s), trở lực phía không khí cũng được xác định.
● Tính chênh lệch nhiệt độ trug bình ∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆∆ :
Với � là nhiệt độ bão hòa của hơi nước, tra bảng nước và hơi nước bão hòa
� theo áp suất 5 bar ta có:
Nhiệt độ hơi bão hòa của hơi nước: � = 152℃.
● Bề mặt truyền nhiệt của calorifer:
Dựa vào phụ lục I - bảng 4 – trang 182 - [1], ta chọn caloriferK∅3- Kiểu II
Diện tích tiết diện khí đi qua(
Diện tích tiết diện môi chất đi qua( 2 )
Kích thước(mm) Đường kính ống môi chất vào(dm)
Tiết diện thông khí của calorifer này là �
Trong hệ thống sấy, quạt đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển không khí và tạo áp suất cho dòng khí đi qua các thiết bị như calorifer, máy sấy, đường ống và cyclone Nhiệm vụ chính của quạt là tạo ra dòng chảy của tác nhân sấy với lưu lượng phù hợp, đảm bảo quá trình sấy diễn ra hiệu quả.
Năng suất quạt được xác định bởi thể tích không khí vào hoặc ra khỏi thiết bị sấy Trong các thiết bị sấy, hai loại quạt phổ biến thường được sử dụng là quạt ly tâm và quạt hướng trục.
Việc lựa chọn loại quạt và số hiệu phù hợp phụ thuộc vào đặc điểm của hệ thống sấy, áp suất mà quạt cần khắc phục (∆p), năng suất cần tải (V), cũng như nhiệt độ và độ ẩm của tác nhân sấy.
Khi chọn quạt, giá trị cần xác định là hiệu suất của quạt.
● Trở lực đường ống từ miệng quạt đến calorifer
- Chọn đường ống dẫn làm bằng tôn sơn đỏ có độ nhám ε = 10 −4 �
- Vận tốc đường ống là:
V = 0,844 � 3 /kgkk thể tích không khí trước khi đi vào calorifer (ở � = 25℃,
→ Không khí đi trong ống theo chế độ chảy xoáy
Giá trị hệ số ma sát được tính theo công thức : λ = 0, 1 (1, 46 ε +
→ Vậy trở lực trên ống từ miệng quạt đến calorifer là :
● Trở lực trên đoạn ống thẳng từ calorifer đến cút cong : ω 1
- Vận tốc đường ống là:
� = 0,972 � 3 /kgkk thể tích không khí sau khi đi qua calorifer (ở � = 70℃, φ
→ Không khí đi trong ống theo chế độ chảy xoáy
Giá trị hệ số ma sát được tính theo công thức : λ = 0, 1 (1, 46 ε +
→ Vậy trở lực trên ống từ miệng quạt đến calorifer là :
● Trở lực tại cút cong
= ξ ω γ ξ = 0, 18 − trở lực cục bộ γ − trọng lượng riêng của không khí: γ = � ρ = 9, 81 1, 029 = 10, 09 N/�
� = 9, 81 /////////////// – gia tốc trọng trường ρ = 1, 029 / – khối lượng riêng của không khí ở
70℃ ω = 21, 3 /////////////// – vận tốc của không khí trong ống
● Trở lực đoạn ống từ cút cong vào buồng sấy:
● Trở lực đoạn ống kiểu vát vào buồng sấy :
● Trở lực trong buồng sấy:
Buồng sấy có các khay sấy xe goòng song song nhau, mỗi khay xe cách nhau
100 mm, Lk = 0,93m, khoảng thông khí giữa 2 khay là dkp mm
Chọn độ nhám của khay: ε -6
Vận tốc đường ống là: ωB=2 m/s
● Trở lực cục bộ của xe vào:
Với ξ =0,18 trở lực cục bộ xe vào
● Trở lực ma sát trong xe :
→ Không khí đi trong ống theo chế độ chảy rối
Giá trị hệ số ma sát được tính theo công thức : λ = 0, 1 (1, 46.ε
→ Vậy trở lực trên ống từ miệng quạt đến calorifer là :
□ Trở lực cục bộ của xe ra:
Với ξ =0,25 trở lực cục bộ xe ra �
✔ Ap suất động của khí thoát
Chọn tốc độ thải khí : ω
Tổng trở lực của hệ thống :
Kết quả ta được tổng tổn thất áp suất thực tế : ∆� = 171, 61 N/m 2
Với lưu lượng V'75,85 m 3 /h và � #4,81 N/m 2 ta chọn quạt II/4/70 N 0 5
�� hiệu suất ƞ =0,6 ; ω r rad/sh7,5 vòng/phút (phụ lục 2 - Thiết kế hệ thống và thiết bị sấy-NXB Khoa học và kĩ thuật năm 2006).
Công suất của quạt là:
Công suất động cơ chạy quạt là :
1, 3 = 0, 234 �� = 234 � Ở dây quạt nối trực tiếp với động cơ ƞ
Hệ thống sấy khoai lang bằng buồng sấy có thiết kế đơn giản, không cần diện tích lớn, thích hợp cho quy trình sấy năng suất nhỏ và thủ công Phương pháp này mang lại sản phẩm sấy với chất lượng vượt trội so với các phương pháp truyền thống Hiện nay, hệ thống này đang được áp dụng phổ biến tại các vùng trồng khoai, giúp tăng lợi nhuận và cải thiện đời sống cho người nông dân.
Hệ thống sấy trong đồ án của em có thể được cải thiện hơn nữa; tuy nhiên, do thời gian và kiến thức còn hạn chế, không thể tránh khỏi những thiếu sót Em rất mong nhận được sự đóng góp và chỉ bảo từ các thầy cô và bạn bè.
Em xin chân thành cảm ơn!
1.PGS.TS Hoàng Văn Chước - Thiết kế hệ thống và thiết bị sấy-NXB Khoa học và kĩ thuật năm 2006.
Giáo trình "Các quá trình và thiết bị trong công nghệ thực phẩm-công nghệ sinh học" do NGƯT.PGS.TS Tôn Thất Minh biên soạn, tập trung vào các quá trình và thiết bị chuyển khối Xuất bản năm 2016 bởi NXB Bách khoa Hà Nội, giáo trình cung cấp kiến thức chuyên sâu về công nghệ thực phẩm và sinh học, phục vụ cho sinh viên và nghiên cứu trong lĩnh vực này.
Nguyễn Thất Minh là tác giả của giáo trình "Các quá trình và thiết bị trong công nghệ thực phẩm - công nghệ sinh học", Tập II, tập trung vào các quá trình và thiết bị trao đổi nhiệt Giáo trình này được xuất bản bởi NXB Bách Khoa Hà Nội vào năm 2016.
4.GS.TSKH Trần Văn Phú - Kĩ thuật sấy - NXB Giáo dục năm 2008.